作者：王建宇 中科院院士、中科院上海分院院長，上海技術物理研究所研究員

“捕捉“墨子號”衛星上發出的光子難度有多大呢？舉(ju) 一個(ge) 例子，相當於(yu) 我坐在飛機上，拿著硬幣一個(ge) 個(ge) 往下扔，要扔到地麵的一個(ge) 儲(chu) 蓄罐裏，儲(chu) 蓄罐有很細的投幣口，硬幣還得投進去才行——我們(men) 做到了。”

光既是粒子又是波

我們(men) 生活的世界五彩繽紛，全部是靠光的作用。

人類很早就開始研究光。17世紀的時候，牛頓就專(zhuan) 門研究過光。他認為(wei) ，光是一顆一顆的，即光的“微粒說”。在他的研究下，現在很多光的現象在那時候已經能解釋了，比如光通過一個(ge) 棱鏡會(hui) 分出五彩繽紛的顏色。

光通過棱鏡會分出五彩繽紛的顏色

但是這個(ge) 理論解釋不了光的衍射、幹涉等現象。而惠更斯在1690年出版的《光論》一書(shu) 中正式提出了光的波動說，建立了著名的惠更斯原理。後來物理學家麥克斯韋提出了一個(ge) 麥克斯韋方程組，指出光是電磁波的一部分，支持了光的“波動說”。

究竟光是粒子還是波？兩(liang) 個(ge) 學說的支持者為(wei) 此爭(zheng) 論了幾百年。光到底是什麽(me) ？直到愛因斯坦做完了一個(ge) 非常有名的光電效應實驗，這個(ge) 問題才有了答案。

大家知道愛因斯坦的相對論，但對他的光電效應實驗可能不太清楚。實際上，愛因斯坦獲得第一個(ge) 諾貝爾獎不是因為(wei) 相對論，而是因為(wei) 光電效應實驗。

愛因斯坦提出，光既是粒子又是波。這個(ge) 想法非常創新，它奠定了我們(men) 今天量子力學的基礎。

愛因斯坦認為(wei) ，光是一份一份的，分到最後它不能分成半個(ge) 光子。此外，光是有能量的，能量等於(yu) 頻率乘以普朗克常量，即E=hv，根據相對論原理推導，光是有質量的。

大家可能會(hui) 說，我們(men) 沒感覺到光有質量啊？光隻有在運動中才有質量，它有運動質量，沒有靜態質量。也就是說，光永遠是在運動的。

這個(ge) 理論奠定了我們(men) 現在光學的基礎，此後我們(men) 對光子才有了比較全麵的了解。

隨著科技的發展，現在我們(men) 已經可以探測單個(ge) 光子了。光子用眼睛是根本看不到的，但是用現在的科學儀(yi) 器，比如光子探測器，就有可能探測到一個(ge) 個(ge) 從(cong) 不同地方來的光子。

光子的應用很多。比如，空間遙感拍攝地球。我們(men) 經常在天氣預報中聽到雲(yun) 圖的概念，雲(yun) 圖是什麽(me) ？就是太陽光照在地球大氣層上的雲(yun) 層上，雲(yun) 層把太陽光再反射到衛星儀(yi) 器上或者衛星的照相機上，衛星照相機根據反射進去的光拍攝的地球表麵雲(yun) 的分布圖就是雲(yun) 圖。

如果照相機的靈敏度足夠高，我們(men) 有可能看到一個(ge) 一個(ge) 光子，也就有可能得到最靈敏的圖像。

在生命科學研究中，光子有非常大的作用。很多生命現象可能在某個(ge) 時刻發出非常微弱的光子。有了光子探測器，我們(men) 就可以探測一些生命科學裏麵非常微弱的信息。

今天我要和大家說的不是上述應用，而是另外兩(liang) 件事，一個(ge) 是光子怎麽(me) 在空間量子通信裏得到應用，另一個(ge) 是光子今後在深空探測裏還有什麽(me) 應用，也就是所謂的光子通信。

空間量子通信

2016年8月16日，我國發射了第一顆量子科學實驗衛星，這是全世界第一次把量子科學實驗搬到太空上去。

2017年1月18日，我們(men) 的科學工程團隊把整顆衛星交給科學家，然後科學家又經過一段時間的實驗，終於(yu) 得到了學術成果。

2017年6月，我們(men) 的工程團隊向全世界宣布，我們(men) 已經圓滿地完成了所有的科學實驗，量子衛星完成任務了。

世界首顆量子科學實驗衛星：墨子號

但是完成任務並不是說這顆衛星就不用了。科學家現在還在天天做實驗，不但自己做實驗，還和全世界的科學家一起來做實驗。

那麽(me) 大家可能就要問了，量子科學實驗衛星到底是幹什麽(me) 的？

它要完成三個(ge) 實驗任務，第一個(ge) 實驗叫量子密鑰分發。

量子密鑰是根據量子力學的原理，提供一種不可破譯的密鑰。它在物理原理上是如何保障的呢？第一個(ge) 原理就是光子的不可分割性。愛因斯坦說光子是一份一份的，你不可能拿到半個(ge) 光子。

甲乙兩(liang) 方送密鑰的時候，甲送出10000個(ge) 密鑰給乙，乙假設收到了1000個(ge) ，這時候還有一個(ge) 丙專(zhuan) 門要偷密鑰，他可能水平也挺高，偷了2000個(ge) 、3000個(ge) 甚至更多，但是光子是一份一份的，所以乙拿到的光子，丙再有本事也是拿不到的。如果在乙和甲共有的光子裏麵產(chan) 生密鑰，丙偷得再多也沒用。

所以這是第一個(ge) 原理，就是光子的不可分割性，被竊取的光子不產(chan) 生密鑰。

假設丙的物理水平很高，他可以把光子偷去拷貝，之後再給乙，是不是這樣丙就有密鑰了？

量子力學裏麵還有一個(ge) 非常著名的原理，叫量子不可克隆原理。在量子力學裏，一堆量子如果用傳(chuan) 統的辦法去拷貝，拷貝完了以後給第二個(ge) 人，對不起，你不可能全拷貝對，大概有1/4一定會(hui) 拷貝錯。

有一個(ge) 電視節目叫《拷貝不走樣》，拷貝量子就不行，你從(cong) 第一個(ge) 拷貝到最後，一定會(hui) 麵目全非。

所以有了這個(ge) 原理，丙偷了光子拷貝之後再傳(chuan) 出也沒用，甲乙兩(liang) 人隻要對一下裏麵錯的碼，超過多少就不用了。所以第二個(ge) 原理就是被拷貝的或者被克隆的光子不產(chan) 生密鑰。

隻要上述這兩(liang) 條做到了，產(chan) 生的密鑰在傳(chuan) 輸過程中一定是安全的。

這件事我們(men) 在地麵已經做了很多了，但是在地麵上要把量子密鑰傳(chuan) 得很遠是有困難的。如果我們(men) 要建立一個(ge) 全球的量子網，衛星是一個(ge) 最有效的辦法。

第二個(ge) 實驗非常神奇，就是所謂的糾纏原理。

前麵說量子不去測量，它是不確定的，測量以後才確定。但是糾纏現象又告訴我們(men) ，兩(liang) 個(ge) 量子之間在一些特殊情況下，它們(men) 之間相互有感應，或者說它們(men) 是有一定關(guan) 係的。

當測量一個(ge) 是0或者是1的話，另外一個(ge) 一定立馬就確定下來。這個(ge) 事情有非常大的爭(zheng) 論，愛因斯坦對這點也是有疑義(yi) 的。

量子糾纏分發

在地麵上，我們(men) 已經證明了這種現象是存在的，但是到1000公裏甚至1萬(wan) 公裏以後，這種現象還存在不存在？所以這顆衛星的第二個(ge) 實驗就是要驗證在上千公裏的地方，這種現象是否依然存在。

第三個(ge) 實驗叫量子隱形傳(chuan) 態。

前麵說了量子不可克隆，不可克隆的結果是什麽(me) ？這個(ge) 係統就是孤立的，和外界沒法交流。自然界是非常奇妙的，它肯定有量子交換的方法。

科學家在20世紀末發現量子糾纏是存在的，它的量子信息就可以通過糾纏的方法傳(chuan) 遞出去。所以我們(men) 第三個(ge) 實驗就是要驗證地麵到衛星相距上千公裏這種信息的傳(chuan) 遞是不是可行的。

量子隱形傳態

具體(ti) 的物理原理，可能我講得不是最嚴(yan) 謹的，但我們(men) 的工作是要把潘建偉(wei) 院士的想法搬到天上去，我們(men) 把天空和大地——幾千萬(wan) 平方公裏變成一個(ge) 大實驗室，來做他的實驗。

當時我們(men) 列了六七件最難的事兒(er) ，我給大家說其中兩(liang) 件比較難的事。

第一件，我們(men) 要把天上的一個(ge) 個(ge) 光子要打到地麵來，或者地麵一個(ge) 個(ge) 光子要打到天上去，我們(men) 要進行捕獲跟蹤。

大家知道衛星是繞著地球轉的，它每秒鍾飛行的速度大概是7公裏多。也就是說，在一個(ge) 距離地麵1000公裏的、速度為(wei) 每秒7公裏多的、飛快掠過的衛星向地麵站發出光子，然後，當它出了地平線以後，我們(men) 在地麵上馬上要把衛星捕獲，捕獲以後還要衛星和地麵站的光軸對準才能開始做實驗。

這個(ge) 在國際上有先例嗎？有。比如現在很多激光通信衛星就有類似的功能，但是量子衛星要實現這個(ge) 功能難度更大。

難在什麽(me) 地方呢？激光通信試驗都是強光試驗，光越強越好，信號來了馬上能解出來，而我們(men) 要捕獲的是非常微弱的光子。

此外，為(wei) 了要做第二個(ge) 實驗，就是量子糾纏實驗，我們(men) 要在衛星上麵產(chan) 生一個(ge) 糾纏光量子對，要把它發到兩(liang) 個(ge) 相隔1000多公裏的地麵站。我們(men) 要一對二，這個(ge) 也是全世界沒做過的。

這個(ge) 難度有多大呢？舉(ju) 一個(ge) 例子，相當於(yu) 我坐在飛機上，拿著硬幣一個(ge) 個(ge) 往下扔，要扔到地麵的一個(ge) 儲(chu) 蓄罐裏，儲(chu) 蓄罐有很細的投幣口，硬幣還得投進去才行——我們(men) 做到了。

從飛機上扔硬幣示意圖

第二件，這麽(me) 小的光子到底靈敏度要多高才能捕捉到？我們(men) 進行了計算，地麵一台望遠鏡要檢測到天上來的一個(ge) 光子，靈敏度要多高呢？相當於(yu) 一個(ge) 人在月球上麵劃一根火柴，它燃燒起來，地麵這台望遠鏡要能看到，這樣我們(men) 才能抓住一個(ge) 個(ge) 光子。

單光子接收探測

我們(men) 可以在全球建立一個(ge) 衛星網絡，然後把密鑰從(cong) 一個(ge) 地方發到另一個(ge) 地方。我們(men) 當時做的時候，在地麵設計了5個(ge) 地麵站，其中4個(ge) 是做接收的，一個(ge) 在新疆，一個(ge) 在青海德令哈，一個(ge) 在雲(yun) 南麗(li) 江，另一個(ge) 在北京。

光學地麵站分布

為(wei) 什麽(me) 要這麽(me) 多的地麵站？這是為(wei) 了增加實驗的時間，因為(wei) 我們(men) 要做第二個(ge) 實驗，衛星必須飛過兩(liang) 個(ge) 地麵站之間，我們(men) 才能做實驗，能做實驗的時間是非常短的。

做科學實驗要創新，要發現未知的東(dong) 西，但是做工程要確保成功。所以，我們(men) 當時設了新疆和德令哈，這一對是可以做實驗的；德令哈和麗(li) 江這一對也是可以做實驗的。這樣我們(men) 的保險係數就提高了一倍。

同時我們(men) 又在北京設一個(ge) 地麵站，為(wei) 什麽(me) 呢？我們(men) 要做地麵的密碼傳(chuan) 遞、保密通信實驗，北京是我們(men) 的首都，自然而然指令要從(cong) 這邊發出來，所以北京專(zhuan) 門設了一個(ge) 站。

我們(men) 還有第三個(ge) 實驗，隱形傳(chuan) 態，是從(cong) 地麵把信息發到天上去，我們(men) 找了一個(ge) 非常高的地方。

因為(wei) 是第一次做，我們(men) 對很多科學現象不清楚，肯定要找一個(ge) 比較有利的地方。大氣對光有很大的影響，所以我們(men) 就到海拔5000多米的阿裏的一個(ge) 高山上設了一個(ge) 發射網點。這樣我們(men) 就做成了實驗。

2017年初，我們(men) 基本上做完了實驗。我們(men) 的三個(ge) 實驗變成了三篇論文。一篇以封麵文章發表在《科學》雜誌上，題為(wei) 《基於(yu) 衛星的糾纏分發距離超過1200公裏》，確確實實驗證了在1000多公裏的距離，量子糾纏現象是存在的，當然現在又有人提出來你們(men) 能不能更遠。

另外兩(liang) 篇關(guan) 於(yu) 密鑰分發和隱形傳(chuan) 態的文章發表在2017年8月的《自然》雜誌裏。當時這三篇文章的發表在國際上還引起了轟動。

三篇論文分別發表在《科學》和《自然》雜誌上

《科學》雜誌每年都要評選一篇最佳論文，我們(men) 非常榮幸，這篇《基於(yu) 衛星的糾纏分發距離超過1200公裏》的論文獲得了2018年克利夫蘭(lan) 獎。

2017年9月，我們(men) 實現了國際上第一次洲際的量子密鑰通信，奧地利科學院院長和中科院白春禮院長用量子保密的視頻電話進行了通話。這個(ge) 事件被評為(wei) 2018年美國物理學會(hui) 的十大科技進展之一。

2017年9月，中國與奧地利實現洲際之間的量子保密通信

大家可能會(hui) 問，做這個(ge) 工作的是不是都是上了年紀的科學家？我介紹一下我們(men) 的團隊，我大概年齡是最大的，我們(men) 一級的總（工程）師有60後、70後和80後。但是我們(men) 第二層次的主任設計師，也就是具體(ti) 負責項目的幾乎全部是80後。

我還記得一件事，曾經有個(ge) 美國來訪者就問我是美國哪個(ge) 大學畢業(ye) 的？我們(men) 的團隊成員是不是都是從(cong) 美國回來的？我告訴他，我們(men) 這個(ge) 團隊，除了首席科學家是從(cong) 歐洲留學回來的，其他人都是在國內(nei) 培養(yang) 的本土科學家。

然後，我和領事館的人見麵聊了聊，臨(lin) 走的時候，有個(ge) 人就問我是美國哪個(ge) 大學畢業(ye) 的？我們(men) 的團隊成員是不是都是從(cong) 美國回來的？我告訴他，我們(men) 這個(ge) 團隊，除了首席科學家是從(cong) 歐洲留學回來的，其他人都是在國內(nei) 上的大學。

任何的科學實驗都是要應用的，凡是通信衛星都是要時時刻刻能用。現在我們(men) 做了一個(ge) 低軌的太陽同步軌道衛星。從(cong) 事衛星工作的同誌知道，它一天能過境兩(liang) 次，白天一次，晚上一次。但是因為(wei) 光太弱了，我們(men) 隻能晚上做實驗，白天做不了。

所以我們(men) 要解決(jue) 兩(liang) 個(ge) 問題：一是我們(men) 要白天晚上都能做實驗，二是要隨時隨地都能做實驗，隻有這樣我們(men) 才能更好的應用。

為(wei) 此我們(men) 要設計一個(ge) 高軌衛星，我們(men) 要把衛星送到36000公裏的高度上去。說起來好像很簡單，但從(cong) 科學技術上來說，難度就更大了。

我簡單舉(ju) 一個(ge) 例子，剛剛說的最難的是從(cong) 高空扔硬幣到儲(chu) 蓄罐裏。從(cong) 科學角度來說，我們(men) 現在大概是1~2個(ge) 微弧度的精度，如果要到36000公裏的高度，這個(ge) 指標差不多還要提高一個(ge) 數量級。

這次的難度就不是扔硬幣了，可能要扔紐扣，甚至比紐扣還小，越來越小，所以大家可以想象這個(ge) 難度之大，但是我們(men) 在國家的支持下已經在準備了。

空間光子通信

以上是量子衛星的情況。光子還有什麽(me) 用呢？再下一步，我們(men) 要邁向深空。

大家知道現在深空探測發展很快，前兩(liang) 天大家都在討論一個(ge) 熱點事件，我們(men) 的嫦娥4號在月球背麵登陸，人類第一次在月球背麵降落了。

在月球背麵降落以後，它會(hui) 遇到什麽(me) 困難呢？因為(wei) 月球背麵永遠不會(hui) 對著地球，它必須通過一個(ge) “中轉人”才能把信號發回來，所以上麵就有一個(ge) 中轉衛星。

我可以向大家透露，在2020年或者最晚到2021年，我們(men) 要探測火星。

從(cong) 地球到月球是38萬(wan) 公裏，到火星是多少呢？將近6000萬(wan) 公裏。我們(men) 的團隊也參加了這項工作，我們(men) 設計了一個(ge) 儀(yi) 器，光譜分辨率和空間分辨率都很高。

然後，科學家告訴我，這個(ge) 儀(yi) 器分辨率高是很好，但是信息傳(chuan) 不回來，因為(wei) 距離太遠了，每次隻能傳(chuan) 回一點點信息。所以現在最流行的就是激光通信，用激光的辦法把信息傳(chuan) 回來。

所以，到了這麽(me) 遠的距離以後，我們(men) 麵臨(lin) 很多困難，因為(wei) 能量和距離的平方成反比，所以我能傳(chuan) 的信息量就很小了。

舉(ju) 一個(ge) 例子，地球和月球之間進行通信，目前我們(men) 大概每秒鍾隻能傳(chuan) 幾十K的數據。假設發一個(ge) 指令，要求拍張照片馬上傳(chuan) 回來，這不是立馬就能傳(chuan) 回來的，一方麵光速有時差，大概到月球要1秒鍾多，另一方麵圖像要編碼以後才能慢悠慢悠地傳(chuan) 回來。

深空光子通信預期目標

如果進行科學探測，這樣是不行的。所以我們(men) 現在提出一個(ge) 指標，比如說每秒鍾要傳(chuan) 1G的數據，如果用傳(chuan) 統的辦法，天上要做一個(ge) 一米口徑的望遠鏡，地下要做一個(ge) 三十幾米口徑的望遠鏡才能達到這個(ge) 指標。

假如把信息全部調製到光子裏，用光子的方法能不能實現呢？我們(men) 預測天上隻要一個(ge) 20厘米口徑的望遠鏡，地下隻要一個(ge) 一米口徑的望遠鏡就能實現這個(ge) 目標。這是我們(men) 光子的未來。

做深空探測，探測器很重要。我們(men) 現在要探測一個(ge) 個(ge) 光子，在“墨子號”上用一般半導體(ti) 單光子探測器就夠了，但是要做深空探測中的光子通信可能就就不夠了。

現在科學家研製出了超導納米線探測器，光聽這個(ge) 名字就覺得很神奇了。大家知道超導材料溫度變化以後，導電的變化非常大，所以將一些材料做成很細很細的納米線，去測量它的電阻，之後讓它工作在超導區，再將一個(ge) 光子打在上麵，一個(ge) 光子的能量就會(hui) 使探測器發熱，就會(hui) 跑到非超導區，這樣就能產(chan) 生一個(ge) 脈衝(chong) 。

高效單光子探測技術

現在，我們(men) 的科學家已經能做出國際上最好的超導探測器，單光子探測技術也將成為(wei) 未來深空探測的非常重要的技術。

經曆了這些年的工作，我有一些體(ti) 會(hui) 。第一，原創的科學思想是靈魂。哪怕有再高級的工程師，再大的工程隊伍，有沒有非常優(you) 秀的科學家，做出來的東(dong) 西的層次、水平是不一樣的。

第二，管理體(ti) 製、決(jue) 策層對科技的支持對科技發展非常重要。量子衛星有很多風險，但是我們(men) 國家的領導下定決(jue) 心讓科學家去闖、去試才有了今天的成績。在國外，比如歐洲，他們(men) 很早也想做，但是由於(yu) 種種原因沒有做成。

第三，做這樣一件事情是高技術的結合，不是一兩(liang) 個(ge) 科學家能做成的，需要大團隊作戰。我們(men) 當時做這件事，動員了科學院十幾個(ge) 研究所，把最優(you) 秀的、最強的力量結合起來才做成的。

最後一點，科學團隊和工程團隊必須要互補。科學家有很多好的想法，他要通過工程師來實現。我有時也很自豪地說，作為(wei) 工程團隊，我們(men) 實現了科學家的夢想。

謝謝大家！