王建宇：科學原創+中國合作領跑量子通信

①王建宇解讀「墨子號」的成功 3月18日，中國科學院上海分院副院長、量子衛星總指揮王建宇做客文匯講堂人文解讀「四大未知疆域」(太空深海極地網路)系列講座首場，主講《「墨子號」的成功與中國式的科技創新》。中山大學天文與空間科學研究院院長、著名科普作家李淼擔任對話嘉賓。 本次演講音頻登錄文匯微電台(APP喜馬拉雅？聽-搜文匯講堂2017)收聽。 本版攝影　袁婧　　丁怡、張師楷參與本版整理

②第五次索爾維會議與會者合影(1927年)

③致力於科學傳播的李淼為現場聽眾科普了量子傳輸和隱形傳態的概念

④藍圈裡可對量子衛星進行測控，進入另五個小圈，可進行量子通信實驗，在白色和橙色，或橙色和黃色小圈之間的重疊部分才能做量子糾纏實驗

嘉賓主講

物理學在20世紀前期主導著科學的發展，其中有兩大發現———1900年普朗克發現量子論，1905年愛因斯坦提出狹義相對論，從對人類文明的發展而言，量子力學的貢獻要更大些。量子力學被譽為最難懂的學科，而「墨子號」衛星的科學原理源於量子力學的分支———量子信息學中，量子通信和量子計算是其主要應用。

1927年10月，在布魯塞爾召開了量子力學第五次國際會議，量子力學基本形成體系。有張合影(見圖2)被廣傳集中了地球上三分之一智慧，裡面除可看到愛因斯坦、居里夫人外，還有量子力學世界裡的功勛科學家，如普朗克、海森堡、玻爾、薛定諤等等。這些科學家發現了量子世界中幾個重要的原理，比如：闡釋不同條件下分別顯示波動或粒子性質的「波粒二象性」；粒子介於0和1之間的「量子疊加態」；也發現了量子的「測不準原理」和「不可克隆原理」。

「墨子號」成功帶來的國際反響

「墨子號」是「十二五」期間中科院先導項目中首批啟動的四顆衛星之一，其中第一顆「悟空」用來探索暗物質，第二顆是做空間科學實驗，第三顆就是「墨子號」，即將發射的第四顆用於探索黑洞。

墨子號的使命：三大科學任務、五大工程任務

「墨子號」嚴格說來是量子科學實驗衛星，而不是通信衛星。我們首先要證明三大科學目標：一是實現星地高速量子密鑰分發，將衛星上產生的量子密鑰，分發到光學地面上，它的可行性意味著可以徹底解決經典密鑰分發體系的安全漏洞；第二要做量子糾纏分發實驗，證明量子理論的完備性；第三是量子隱形傳態實驗，這對物理學有著重要的科學意義。後兩個目標屬於驗證量子力學原理的實驗。

對於工程目標而言，要造一顆衛星；地面要做四個接收站、一個發射站，形成天地鏈路；然後發射上天並幫助科學家完成所有實驗。

量子通信為何非要到天上去做？　目前在地面上可以利用光纖網進行量子通信，但量子在光纖里會衰竭，可靠傳輸距離只有100公里，中國科大建了超千公里的京滬量子通信幹線，是靠一段段送過去，多一個中繼點就會少一份安全。而且要做全球的量子密鑰分發，在國外建中繼點更是問題，通過衛星是一個最好的辦法。空間量子網和地面量子網合起來，才能形成全球完整的量子通信網。由於量子密鑰在分發過程具有絕對安全性，這個實驗的意義不同一般。

量子糾纏和隱形傳態實驗的重大科學意義

量子糾纏是上個世紀量子力學中最懸乎的一件事情，愛因斯坦認為「這是遙遠地點之間詭異的互動」，他覺得一定是量子力學的理論不完備，他提出相對論的定域性，認為一個粒子測量不可能對另外一個粒子產生作用，而量子力學的非定域性認為，一個粒子測量有可能瞬間改變另外一個粒子，誰對呢？　做實驗!上世紀60年代，玻爾提出一個可驗證糾纏是否存在的不等式。1972年起，不斷有人做出實驗了，但被人質疑實驗距離太近，不屬於類空間間隔。2011年中國完成了100公里的實驗，那麼1000公里呢？這要通過衛星來驗證。同樣，如果量子糾纏是存在的，我們也希望在幾百、上千公里範圍里驗證量子糾纏現象和隱形傳態，如果成立，意味著多少年後有望改變人類生活。

所以，「墨子號」主要任務是完成一系列的量子科學實驗。為節約國家經費，我們設計了一個小衛星，500公里軌道，640公斤重量，衛星上裝備4個用於量子通信的設備(載荷)：量子糾纏發射機、量子密鑰通信機、專門產生糾纏光子對的量子糾纏源和量子實驗控制與處理機。

我們建了五個地面站，北京興隆、烏魯木齊南山、青海及德令哈、雲南麗江和西藏阿里，選址考慮到可以兩兩配對，都相距1200公里，便於增加糾纏分發實驗的時間。糾纏分發就是一對糾纏的光要發到兩個相距1200公里地面站，由兩個接收系統測量他們是否是糾纏的　(如圖4)；設兩組也方便工程上備份。西藏阿里是發射站，做隱形傳態。

為空間量子科學實驗提供宏大平台，工程創國際一流

2017年1月18日，衛星在發射四個月後正式交付，不僅確認了它可以滿足空間量子科學實驗的需求，而且已經完成了部分量子科學實驗。

量子科學實驗衛星是中國人第一次發射，給我們的科學家提供了一個國際一流的的量子科學實驗超大平台。

「墨子號」這個名字是潘建偉院士起的，墨子在2400多年前做了世界第一個小孔成像實驗，描述了光是按照直線走的原理，這個名字既彰顯又弘揚了中國文化。

國內外反響：「重回巔峰」論、購買論、淘汰論

「墨子號」成功發射後，國內外反響很大。《科學美國人》　評選的2016年度「改變世界的十大創新技術」中，「墨子號」作為唯一誕生於美國本土之外的創新技術入選；《自然》雜誌2016年世界八大科學事件，「墨子號」名列中國航天榜首；《華爾街日報》　詳細報道了量子衛星發射成功的過程，標題為「沉寂了一千年，中國誓回發明創新之巔」，視其為中國創新能力提升的重要標誌。

也有酸溜溜的，如「中國人的科學水平已經實現了量子技術的飛躍，如果我們不把歐盟變成合理有效的整體，我們眼看就會被中國超越。」反面聲音，「我認為，以中國的科學水平(相較於西方世界)不可能實現量子技術的飛躍，基本從未有過。真實情況是，中國由西方的夥伴(或者收購品)來實現的。」還有一些疑問，比如，美國科學這麼發達，為什麼造不出量子衛星？日英法都不做而中國做了，是否人家不想做？

有少量非正面聲音也不足為奇，也不排除一些惡意評論，實驗結果會說明一切。去驗證有爭論的事情才有意義。

量子衛星，如何從跟跑到引領

從量子實驗衛星的成功，可以找尋一下中國高科技如何從跟蹤到引領之路。「國家863計劃」全稱是「高技術跟蹤計劃」，但現在中國的水平不可同日而語，這並非一夜爆發的成功。我分四個方面來說。

第一，中國航天技術和空間激光技術有長足進步，航天器發射數量全球第二。

1957年10月4日，蘇聯成功發射了人類第一顆人造衛星，四個月後，美國發射「探險者」1號，中國在1970年發射了「東方紅」1號。

現在，我國通過載人航天證明了有天地往返、在軌對接控制和人類在外空的生存等能力；探月工程證明了對超遠距離衛星有測控和控制能力，「嫦娥4號」即將要著陸到月球背面，探月要跨行38萬公里，接下去探測火星要經過6000多萬公里；美國衛星對地解析度可達0.1米，但要把軌道降到120公里，我們目前在500公里的軌道上也能達到0.5米解析度。中國航天每年發射量居世界第二，2016年是22次。結論是：我們是航天大國還不是航天強國，因為像探月、載人航天的創意並非來自我們。

除航天技術外，「墨子號」應用了大量激光技術。1960年，美國發明了人類第一台激光器，中國第二年也造出第一台，但在產學研上落後於國際。

從1994年開始，各國將激光技術用在航天上，美國人研製了多種激光雷達，歐空局2018年將發射搭載著更先進的氣溶膠/雲探測激光雷達的衛星。中國也緊緊跟上，2007年「嫦娥1號」上搭載了技物所團隊製作的激光高度計，填補了拍攝月球兩極地形的國際空白。

激光通信技術也是熱點，目前一秒鐘可傳完一張5G多的DVD光碟。1995年日本成功實現星地萬公里量級的激光通信，2005年實現世界首次星間激光通信；2008年德國實現了首次空間相干激光通信；2000年美國發射的一顆激光通信衛星因為沒能建立星地鏈路而失敗，但在2013年他們完成了地球與月球之間的激光通信。我國這次也迎頭趕上，在「天宮」飛船上搭載了1.6G，「墨子號」上面搭載了5.1G。這一切說明中國近年來的積累為「墨子號」成功打下了基礎。

第二，多年的開放為我國科學家的原創提供了條件，為墨子號注入了靈魂。

潘建偉院士是馳名國際的量子通信知名專家，他有關實現量子隱形傳態的研究成果入選《科學》雜誌「年度十大科技進展」，並被《自然》雜誌選為「百年物理學21篇經典論文」，與倫琴發現X線，愛因斯坦建立相對論齊名。1970年出生的他在維也納大學獲得博士學位，他回國後，得到國家上上下下的全力支持，而他的導師、奧地利科學院院長席林格(Zeilinger)教授在歐盟卻推不動這個項目。

量子密鑰分發實驗國際競爭非常激烈。2005年，清華和加拿大的科學家同時提出地面量子密鑰分發的原理；2007年，潘建偉團隊和國外團隊又同時在實驗中實現了光纖量子密鑰分發超過100公里。接著我們漸漸領先於國外，2010年中國做了200公里光纖量子密鑰分發，2007年奧地利完成了144公里自由空間量子密鑰分發。

潘建偉另外的貢獻是量子隱形傳態實驗，他的第一篇論文是在國外寫的，回國後先和國外並行，後來逐漸領先。2008至2011年，中科大和技物所聯合團隊在青海湖邊做了大量的實驗，一方面是驗證量子通信能否上天，另一方面也做理論研究，在一流國際刊物上發文。在量子密鑰分發實驗中，我們實現了以熱氣球為平台的運動下的密鑰分發，固定平台最遠達到98公里。後來我們又做了100公里的量子糾纏分發和隱形傳態，在國際上也是首次。

所以說，公平競爭、科學開放的環境，給科學家提供了創新和領先世界的機會。

第三個多學科交叉融合，強強聯合，量子衛星在光電技術上取得突破進步。

一般的衛星對地觀測把照片拍完傳輸下來就完成任務了，而「墨子號」要天地上下光交互對接、還要在衛星上產生量子信號和糾纏光子對，它是量子理論、激光技術和航天工程完美結合，也是真正意義上的國際首次。

我們集中實現了七項關鍵技術的突破。其中有天地鏈路高精度跟蹤和精確指向。通俗來講，就是要抓得住、跟得牢、打得准，衛星高速飛行，一千公里以外一出現就得抓牢，並建立光的通信鏈路，發射的量子光還必須精確指向地面站。為了做糾纏分發，天上的衛星要同時對準兩個地面站，並要同時達到同樣的高精度，我們都一次獲得成功。

有天地鏈路的單光子接收。在地面、天上要探測到脈衝的光子必須有合適的探測器，我們解決了商用高靈敏度單光子探測器在空間環境下不能長期使用的難題。

有高亮度量子糾纏源。量子源是激光通過非常特殊的晶體干涉出來一對對光子對，極有難度，我們不但做了全世界最亮的量子源，而且發射上天了。

同時突破了近衍射極限光量子發射和多源同軸配准、偏振態保持與基矢跟蹤測量、高精度時間同步技術等。

簡單說來，其難度相當於坐著飛機從萬米高空扔硬幣，同時扔向地面兩個旋轉的儲蓄罐，硬幣不但要擊中儲蓄罐，而且要準確地射入細長的投幣狹縫裡。探測一個光子，相當於地面1米口徑的望遠鏡，要看38萬公里外的月球上燃著的一根火柴。靈敏度如此高!

第四，中國科研組織和管理模式，為「墨子號」的成功發射提供了強有力的保障。

回顧一下，2003年潘院士回國提出星地量子通信的概念，2008年立項開展地面攻關，2011年完成百公里量級的量子密鑰分發，2011年底量子衛星工程立項，2016年發射。13年間，凝聚了很多團隊：中科大、技物所、上海小衛星工程中心、天文台、光電所、上海光機所、航天科技8院等等；主力隊員全是80後。

以此來看墨子號的成功要素。首先，量子衛星好比如阿波羅登月、載人航天都是國家項目，不是個人、幾個小團體可以做成；第二是高技術的比拼；第三對科學的追求需要愛國精神來支撐；第四是探索未知的理想信念。

由此引發我對中國式科技創新的思考。第一，科學家原創是靈魂。第二，管理層快速決策是資源保障，這是中國特色的高執行力。第三，兵團式多團隊聯合，工程管理是技術也是藝術和科學。第四是科學團隊和工程團隊的互補，交叉融合，1+1大於2。量子衛星得益於天時地利人和，天時是國家對科學的重視，地利是在開放的全球競爭，人和是團隊相互支持。

對今後的發展，我也提出四點，第一，要長期支持，國家要有選擇性支持。第二，要有寬容失敗的文化。第三，要有多元評價的體制，不能讓工程師團隊也去做SCI文章。第四，在破壞性創新中發展高科技，我們選題上一定要有高度，從跟蹤到引領這個階段，說到底，科學的創新思想還是成功之源。

量子技術，如何改變生活

量子信息學和實際生活密切相關。目前國際競爭激烈，歐洲、美國、日本都在花費大量財力研究，並非他們不做我們才去做。量子技術還有許多應用。

量子陀螺儀。過去沒有GPS，飛機導航便憑藉陀螺儀。利用量子技術發展的原子陀螺儀，測量精度可比傳統的高几個數量級。

量子雷達。目前我國已研製出來，利用糾纏的辦法可以達到很高的靈敏度。量子成像也在發展，理論上可突破衍射極限。

在量子計算機這個層面，隨著半導體器件的尺寸接近納米級，電子的運動不再遵守經典物理學規律，一定會出現技術革命，量子現象就可能會被運用；另一方面，大型計算機出現後，能耗與散熱巨大，而量子力學中存在的可逆計算可將熱量下降。

量子通信產業的特點：量子通信是對目前傳統通信技術的一種重要的補充，而不是全面的替代；量子產業的門檻比較高；核心技術正在突破中，學術的爭論至今沒有結束，產業的技術風險和市場風險都比較大；市場上有一大片冠以「量子」的產業不乏「魚龍混雜」成分。

「墨子號」只是開始，中國科技正從跟蹤向引領跨越，中華民族將對人類科技發展作出應有的貢獻。

嘉賓對話

美國、歐共體某些項目的居前與喪失優勢和科學決策機制有關

李淼：剛才演講中，多次提到了中國目前的科研決策中「國家行為」，它的優勢非常有利於做像「墨子號」這樣先鋒式的探索和實驗，這一點我感同身受。第一顆先導衛星「悟空號」同樣受益，華裔科學家丁肇中先生在美國主導探測暗物質的AMS02實驗，但在今天的美國很難發射這樣一顆衛星。特朗普近日已宣布要削減科學和技術領域的經費。

在美國，通常由科學家提出計劃，然後層層上遞到國會和總統，或許還會遭遇政見不合的拉鋸戰，歐洲需要整個歐共體來集體決策，執行力就會大大下降。就我的研究領域，一年多前美國人宣布探測到了引力波，他們想去太空做實驗的計劃已經申報了20年，在歐共體也是兩年前才剛剛通過。這說明中國在決策方面有優越性。

國家支持、開放政策、多元平台確保我們決策的先進

王建宇：十年前，不少人抱怨我們的科技比較浮躁，西方國家如何鼓勵原創。通過「墨子號」工程，很多人都改變了認識。這幾年，中國的科技發展確實特別快。新世紀後我每年參加的科學院院工作會上，近兩年只有國際領先項目才能上會討論。除了國家支持外，還得益於我們的開放政策，像李淼老師這樣的海歸都回來了，國外單獨做和在國內大家一起做還是不一樣，科技的合作優越性又體現出來了。另外，美國的審批制度中有時未必完全是科學性在起作用，夾雜著利益鬥爭，但在中國，至少從科學家到領導人，都是視該科研是否真正在國際前沿，能否真出結果為標準。

我認識潘院士半年不到，科學院就啟動一個有史以來最大的項目來驗證此事的可行性，一下子就組織一個各種人才的隊伍，這種速度和方法在國外不太可能。

但國家現在畢竟還是資源少，因此，項目都是好中選優。比如量子通信和量子計算機是國家重大專項，先做科學實驗衛星，下一步一定要從實用角度去努力，珍惜好國家對你的支持。

激光領域和半導體領域，中國曾經不落後到喪失商機

李淼：中國科學和專家體量越來越大，要想引領國際，國家就必須選一些有可能突破的方向持續支持。前車可鑒，改變了生活及商業的激光領域，中國人在美國人之後做出激光器，後來沒有持續經費的支持，就喪失了科學和商業先機；半導體，我們本來也不落後多少，但是沒有選擇性跟上，現在晶元60%是進口。量子計算和量子通信，現在儘管在實驗室階段，但如果有持續支持，直到突破為民用，會給國家帶來巨大的改變。

實驗的時間有限，地球同步衛星是下一步目標

李淼：我現在更多時間在做科普。請教王院長，「墨子號」要在太空里做量子通信的實驗，實驗時，每次通信可持續多長時間？　所含比特量多大？

王建宇：現在用的是太陽同步軌道衛星，繞著地球轉一圈大概100分鐘。每天一個地方只過兩次，白天一次，晚上一次。做通信實驗有兩個條件：衛星要看得到，背景不能太亮。因此，每個地面站一天最多做一次實驗，最長10分鐘左右，多則幾百秒，少則幾十秒，甚至十幾秒。多少比特量？設計指標是要超過每秒鐘1K，後來能達到每秒到十幾K，小規模的密鑰應用已經夠了。如每年能產生1G的密鑰，就能滿足國家很多方面的需求了。

如何突破？需要設計一個中高軌衛星，高度到36000公里叫地球同步軌道衛星，如燈高懸在頂隨時可用。白天能否做？　可以考慮用極窄光學濾波或者隔離技術，把光濾波器的帶寬做得極窄，就有可能。這兩個技術有待今後幾年突破。

四個基站三層目標的不斷挑戰，完全領跑於國際

李淼：為什麼要建四個基站？

王建宇：這有一個過程，2007年潘院士設的目標只是能做成世界第一個密鑰分發；2011年地面青海湖實驗做得很成功，科學家要求就提高了：量子糾纏中「貝爾(Bell)不等式破缺」的驗證是全世界矚目的難點，我們能否放上去做？　我說風險非常大，他說作為拓展項目；過段時間他看做得很好又說，能否把隱形傳態也做進去？　就叫額外任務。這樣的結果是我們領先了很多年。

「三隻鞋上月球」的比喻來理解隱形傳態原理

李淼：我提議給王院長鼓掌。我解釋一下量子態隱形傳輸，原理說起來很高深。我把一個粒子比喻成鞋，我想把右腳皮鞋送到月亮上去，但量子不可克隆，我怎麼送？　隱形傳輸想了20多年，有了絕妙之法。我先找一對量子皮鞋，把其中一隻送到月球上，我不知道左右，但量子糾纏告訴我們一定是一隻左一隻右，現在拿第三隻皮鞋不管是左右，我想送到月球上，把第三隻皮鞋跟我手裡所剩一隻比較，全是右顯然月球的是左腳，就讓月球的翻過來，如果第三隻皮鞋是左腳，我手裡本來有一隻，假定是右我是左腳，一看肯定是一左一右，這個好理解，因為第三隻鞋和留在手裡的配對了，而月球上的那隻本來也和留在手裡的鞋配對。說起來很簡單，道理很深。

你們不理解的話，把我的故事反反覆復想兩遍。

隱形傳態投入民用將實現了不起的破壞和恢復

王建宇：能否舉個例子，隱形傳態如何真正進入應用？

李淼：如果我想傳輸的系統是量子態的，比如量子態的我傳輸到另一個地方，必須在這個地方把我破壞掉，把破壞掉的信息通過我剛才說的三隻鞋的故事分發到另外一個地方去，另外一個地方可以把我的態或者我的人完全恢復。這告訴我們兩件事，量子態的我不可能拷貝成兩個李淼；如果想把我傳輸到外地去，必須把本地李淼毀滅掉，第三個地方恢復。如果可以實現的話非常了不起。

量子計算機可能在50年左右實現

王建宇：一位資深專家說，量子計算機可能是明天做出來，也可能是一千年以後做出來，怎麼理解？

李淼：算盤是經典計算機，計算機是體量、容量放大的算盤，電路裡面每個邏輯門開和關就是算盤裡面的算盤珠。算盤珠只有兩個態，出現和不出現，而量子計算不是算盤珠了，它的不確定性原理決定了量子有無窮多個態，可出現也可不出現，概率就在0和1之間，累加後會有很多很多量子比特。如果把經典計算比喻成走迷宮的一條道，那迷宮只有一條道走出去，量子計算是同時走所有的道，像1可出現也可不出現，也可同時出現，但是概率不一樣，你可同時走所有的可能性。以倒水為例，這杯水嘗試了所有道，量子計算就是倒一杯水的過程，肯定有一條效率最高的通道。

到底何時可以實現，最近我比較樂觀，要做量子計算要到微觀層面上實現量子態，而且保留足夠長的時間，把計算過程完成對科學家是最大的挑戰，有可能計算尚未完成，量子態就會破壞掉，現在用離子井可讓量子態保留足夠長時間。我預測10年實現不了，應該是50年之內。

本版攝影　袁婧　丁怡、張師楷參與本版整理

推薦閱讀：