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王建宇:“墨子号”量子卫星是怎么在天上做量子实验的?
王建宇:“墨子号”量子卫星是怎么在天上做量子实验的?
6/24/2019 11:12:37 AM | 浏览:202 | 评论:0

王建宇:“墨子号”量子卫星是怎么在天上做量子实验的?

世界首颗量子科学实验卫星:墨子号

“捕捉“墨子号”卫星上发出的光子难度有多大呢?举一个例子,相当于我坐在飞机上,拿着硬币一个个往下扔,要扔到地面的一个储蓄罐里,储蓄罐有很细的投币口,硬币还得投进去才行——我们做到了。”

     光既是粒子又是波

我们生活的世界五彩缤纷,全部是靠光的作用。

人类很早就开始研究光。17世纪的时候,牛顿就专门研究过光。他认为,光是一颗一颗的,即光的“微粒说”。在他的研究下,现在很多光的现象在那时候已经能解释了,比如光通过一个棱镜会分出五彩缤纷的颜色。

王建宇:“墨子号”量子卫星是怎么在天上做量子实验的?

光通过棱镜会分出五彩缤纷的颜色

但是这个理论解释不了光的衍射、干涉等现象。而惠更斯在1690年出版的《光论》一书中正式提出了光的波动说,建立了著名的惠更斯原理。后来物理学家麦克斯韦提出了一个麦克斯韦方程组,指出光是电磁波的一部分,支持了光的“波动说”。

究竟光是粒子还是波?两个学说的支持者为此争论了几百年。光到底是什么?直到爱因斯坦做完了一个非常有名的光电效应实验,这个问题才有了答案。

 大家知道爱因斯坦的相对论,但对他的光电效应实验可能不太清楚。实际上,爱因斯坦获得第一个诺贝尔奖不是因为相对论,而是因为光电效应实验。

 爱因斯坦提出,光既是粒子又是波。这个想法非常创新,它奠定了我们今天量子力学的基础。

爱因斯坦认为,光是一份一份的,分到最后它不能分成半个光子。此外,光是有能量的,能量等于频率乘以普朗克常量,即E=hv,根据相对论原理推导,光是有质量的。

 大家可能会说,我们没感觉到光有质量啊?光只有在运动中才有质量,它有运动质量,没有静态质量。也就是说,光永远是在运动的。

这个理论奠定了我们现在光学的基础,此后我们对光子才有了比较全面的了解。

 随着科技的发展,现在我们已经可以探测单个光子了。光子用眼睛是根本看不到的,但是用现在的科学仪器,比如光子探测器,就有可能探测到一个个从不同地方来的光子。

 光子的应用很多。比如,空间遥感拍摄地球。我们经常在天气预报中听到云图的概念,云图是什么?就是太阳光照在地球大气层上的云层上,云层把太阳光再反射到卫星仪器上或者卫星的照相机上,卫星照相机根据反射进去的光拍摄的地球表面云的分布图就是云图。

 如果照相机的灵敏度足够高,我们有可能看到一个一个光子,也就有可能得到最灵敏的图像。

 在生命科学研究中,光子有非常大的作用。很多生命现象可能在某个时刻发出非常微弱的光子。有了光子探测器,我们就可以探测一些生命科学里面非常微弱的信息。

 今天我要和大家说的不是上述应用,而是另外两件事,一个是光子怎么在空间量子通信里得到应用,另一个是光子今后在深空探测里还有什么应用,也就是所谓的光子通信。

空间量子通信

 2016年8月16日,我国发射了第一颗量子科学实验卫星,这是全世界第一次把量子科学实验搬到太空上去。

2017年1月18日,我们的科学工程团队把整颗卫星交给科学家,然后科学家又经过一段时间的实验,终于得到了学术成果。

2017年6月,我们的工程团队向全世界宣布,我们已经圆满地完成了所有的科学实验,量子卫星完成任务了。

但是完成任务并不是说这颗卫星就不用了。科学家现在还在天天做实验,不但自己做实验,还和全世界的科学家一起来做实验。

那么大家可能就要问了,量子科学实验卫星到底是干什么的?

它要完成三个实验任务,第一个实验叫量子密钥分发。

量子密钥是根据量子力学的原理,提供一种不可破译的密钥。它在物理原理上是如何保障的呢?第一个原理就是光子的不可分割性。爱因斯坦说光子是一份一份的,你不可能拿到半个光子。

甲乙两方送密钥的时候,甲送出10000个密钥给乙,乙假设收到了1000个,这时候还有一个丙专门要偷密钥,他可能水平也挺高,偷了2000个、3000个甚至更多,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里面产生密钥,丙偷得再多也没用。

所以这是第一个原理,就是光子的不可分割性,被窃取的光子不产生密钥。

假设丙的物理水平很高,他可以把光子偷去拷贝,之后再给乙,是不是这样丙就有密钥了?

量子力学里面还有一个非常著名的原理,叫量子不可克隆原理。在量子力学里,一堆量子如果用传统的办法去拷贝,拷贝完了以后给第二个人,对不起,你不可能全拷贝对,大概有1/4一定会拷贝错。

有一个电视节目叫《拷贝不走样》,拷贝量子就不行,你从第一个拷贝到最后,一定会面目全非。

所以有了这个原理,丙偷了光子拷贝之后再传出也没用,甲乙两人只要对一下里面错的码,超过多少就不用了。所以第二个原理就是被拷贝的或者被克隆的光子不产生密钥。

只要上述这两条做到了,产生的密钥在传输过程中一定是安全的。

这件事我们在地面已经做了很多了,但是在地面上要把量子密钥传得很远是有困难的。如果我们要建立一个全球的量子网,卫星是一个最有效的办法。

第二个实验非常神奇,就是所谓的纠缠原理。

前面说量子不去测量,它是不确定的,测量以后才确定。但是纠缠现象又告诉我们,两个量子之间在一些特殊情况下,它们之间相互有感应,或者说它们是有一定关系的。

当测量一个是0或者是1的话,另外一个一定立马就确定下来。这个事情有非常大的争论,爱因斯坦对这点也是有疑义的。

王建宇:“墨子号”量子卫星是怎么在天上做量子实验的?

量子纠缠分发

在地面上,我们已经证明了这种现象是存在的,但是到1000公里甚至1万公里以后,这种现象还存在不存在?所以这颗卫星的第二个实验就是要验证在上千公里的地方,这种现象是否依然存在。

第三个实验叫量子隐形传态。

前面说了量子不可克隆,不可克隆的结果是什么?这个系统就是孤立的,和外界没法交流。自然界是非常奇妙的,它肯定有量子交换的方法。

科学家在20世纪末发现量子纠缠是存在的,它的量子信息就可以通过纠缠的方法传递出去。所以我们第三个实验就是要验证地面到卫星相距上千公里这种信息的传递是不是可行的。

王建宇:“墨子号”量子卫星是怎么在天上做量子实验的?

量子隐形传态

具体的物理原理,可能我讲得不是最严谨的,但我们的工作是要把潘建伟院士的想法搬到天上去,我们把天空和大地——几千万平方公里变成一个大实验室,来做他的实验。

当时我们列了六七件最难的事儿,我给大家说其中两件比较难的事。

第一件,我们要把天上的一个个光子要打到地面来,或者地面一个个光子要打到天上去,我们要进行捕获跟踪。 

大家知道卫星是绕着地球转的,它每秒钟飞行的速度大概是7公里多。也就是说,在一个距离地面1000公里的、速度为每秒7公里多的、飞快掠过的卫星向地面站发出光子,然后,当它出了地平线以后,我们在地面上马上要把卫星捕获,捕获以后还要卫星和地面站的光轴对准才能开始做实验。

这个在国际上有先例吗?有。比如现在很多激光通信卫星就有类似的功能,但是量子卫星要实现这个功能难度更大。

难在什么地方呢?激光通信试验都是强光试验,光越强越好,信号来了马上能解出来,而我们要捕获的是非常微弱的光子。

此外,为了要做第二个实验,就是量子纠缠实验,我们要在卫星上面产生一个纠缠光量子对,要把它发到两个相隔1000多公里的地面站。我们要一对二,这个也是全世界没做过的。

这个难度有多大呢?举一个例子,相当于我坐在飞机上,拿着硬币一个个往下扔,要扔到地面的一个储蓄罐里,储蓄罐有很细的投币口,硬币还得投进去才行——我们做到了。

王建宇:“墨子号”量子卫星是怎么在天上做量子实验的?

从飞机上扔硬币示意图

第二件,这么小的光子到底灵敏度要多高才能捕捉到?我们进行了计算,地面一台望远镜要检测到天上来的一个光子,灵敏度要多高呢?相当于一个人在月球上面划一根火柴,它燃烧起来,地面这台望远镜要能看到,这样我们才能抓住一个个光子。

王建宇:“墨子号”量子卫星是怎么在天上做量子实验的?

单光子接收探测

我们可以在全球建立一个卫星网络,然后把密钥从一个地方发到另一个地方。我们当时做的时候,在地面设计了5个地面站,其中4个是做接收的,一个在新疆,一个在青海德令哈,一个在云南丽江,另一个在北京。

 

王建宇:“墨子号”量子卫星是怎么在天上做量子实验的?

光学地面站分布

为什么要这么多的地面站?这是为了增加实验的时间,因为我们要做第二个实验,卫星必须飞过两个地面站之间,我们才能做实验,能做实验的时间是非常短的。

做科学实验要创新,要发现未知的东西,但是做工程要确保成功。所以,我们当时设了新疆和德令哈,这一对是可以做实验的;德令哈和丽江这一对也是可以做实验的。这样我们的保险系数就提高了一倍。

同时我们又在北京设一个地面站,为什么呢?我们要做地面的密码传递、保密通信实验,北京是我们的首都,自然而然指令要从这边发出来,所以北京专门设了一个站。

我们还有第三个实验,隐形传态,是从地面把信息发到天上去,我们找了一个非常高的地方。

因为是第一次做,我们对很多科学现象不清楚,肯定要找一个比较有利的地方。大气对光有很大的影响,所以我们就到海拔5000多米的阿里的一个高山上设了一个发射网点。这样我们就做成了实验。

2017年初,我们基本上做完了实验。我们的三个实验变成了三篇论文。一篇以封面文章发表在《科学》杂志上,题为《基于卫星的纠缠分发距离超过1200公里》,确确实实验证了在1000多公里的距离,量子纠缠现象是存在的,当然现在又有人提出来你们能不能更远。

另外两篇关于密钥分发和隐形传态的文章发表在2017年8月的《自然》杂志里。当时这三篇文章的发表在国际上还引起了轰动。

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三篇论文分别发表在《科学》和《自然》杂志上

《科学》杂志每年都要评选一篇最佳论文,我们非常荣幸,这篇《基于卫星的纠缠分发距离超过1200公里》的论文获得了2018年克利夫兰奖。

2017年9月,我们实现了国际上第一次洲际的量子密钥通信,奥地利科学院院长和中科院白春礼院长用量子保密的视频电话进行了通话。这个事件被评为2018年美国物理学会的十大科技进展之一。

王建宇:“墨子号”量子卫星是怎么在天上做量子实验的?

2017年9月,中国与奥地利实现洲际之间的量子保密通信

大家可能会问,做这个工作的是不是都是上了年纪的科学家?我介绍一下我们的团队,我大概年龄是最大的,我们一级的总(工程)师有60后、70后和80后。但是我们第二层次的主任设计师,也就是具体负责项目的几乎全部是80后。

 我还记得一件事,曾经有个美国来访者就问我是美国哪个大学毕业的?我们的团队成员是不是都是从美国回来的?我告诉他,我们这个团队,除了首席科学家是从欧洲留学回来的,其他人都是在国内培养的本土科学家。

然后,我和领事馆的人见面聊了聊,临走的时候,有个人就问我是美国哪个大学毕业的?我们的团队成员是不是都是从美国回来的?我告诉他,我们这个团队,除了首席科学家是从欧洲留学回来的,其他人都是在国内上的大学。

任何的科学实验都是要应用的,凡是通信卫星都是要时时刻刻能用。现在我们做了一个低轨的太阳同步轨道卫星。从事卫星工作的同志知道,它一天能过境两次,白天一次,晚上一次。但是因为光太弱了,我们只能晚上做实验,白天做不了。

所以我们要解决两个问题:一是我们要白天晚上都能做实验,二是要随时随地都能做实验,只有这样我们才能更好的应用。

为此我们要设计一个高轨卫星,我们要把卫星送到36000公里的高度上去。说起来好像很简单,但从科学技术上来说,难度就更大了。

我简单举一个例子,刚刚说的最难的是从高空扔硬币到储蓄罐里。从科学角度来说,我们现在大概是1~2个微弧度的精度,如果要到36000公里的高度,这个指标差不多还要提高一个数量级。

这次的难度就不是扔硬币了,可能要扔纽扣,甚至比纽扣还小,越来越小,所以大家可以想象这个难度之大,但是我们在国家的支持下已经在准备了。

空间光子通信

 以上是量子卫星的情况。光子还有什么用呢?再下一步,我们要迈向深空。

大家知道现在深空探测发展很快,前两天大家都在讨论一个热点事件,我们的嫦娥4号在月球背面登陆,人类第一次在月球背面降落了。

在月球背面降落以后,它会遇到什么困难呢?因为月球背面永远不会对着地球,它必须通过一个“中转人”才能把信号发回来,所以上面就有一个中转卫星。

我可以向大家透露,在2020年或者最晚到2021年,我们要探测火星。

从地球到月球是38万公里,到火星是多少呢?将近6000万公里。我们的团队也参加了这项工作,我们设计了一个仪器,光谱分辨率和空间分辨率都很高。

然后,科学家告诉我,这个仪器分辨率高是很好,但是信息传不回来,因为距离太远了,每次只能传回一点点信息。所以现在最流行的就是激光通信,用激光的办法把信息传回来。

所以,到了这么远的距离以后,我们面临很多困难,因为能量和距离的平方成反比,所以我能传的信息量就很小了。

举一个例子,地球和月球之间进行通信,目前我们大概每秒钟只能传几十K的数据。假设发一个指令,要求拍张照片马上传回来,这不是立马就能传回来的,一方面光速有时差,大概到月球要1秒钟多,另一方面图像要编码以后才能慢悠慢悠地传回来。

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深空光子通信预期目标

如果进行科学探测,这样是不行的。所以我们现在提出一个指标,比如说每秒钟要传1G的数据,如果用传统的办法,天上要做一个一米口径的望远镜,地下要做一个三十几米口径的望远镜才能达到这个指标。 

假如把信息全部调制到光子里,用光子的方法能不能实现呢?我们预测天上只要一个20厘米口径的望远镜,地下只要一个一米口径的望远镜就能实现这个目标。这是我们光子的未来。

做深空探测,探测器很重要。我们现在要探测一个个光子,在“墨子号”上用一般半导体单光子探测器就够了,但是要做深空探测中的光子通信可能就就不够了。

现在科学家研制出了超导纳米线探测器,光听这个名字就觉得很神奇了。大家知道超导材料温度变化以后,导电的变化非常大,所以将一些材料做成很细很细的纳米线,去测量它的电阻,之后让它工作在超导区,再将一个光子打在上面,一个光子的能量就会使探测器发热,就会跑到非超导区,这样就能产生一个脉冲。

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高效单光子探测技术

现在,我们的科学家已经能做出国际上最好的超导探测器,单光子探测技术也将成为未来深空探测的非常重要的技术。 

经历了这些年的工作,我有一些体会。第一,原创的科学思想是灵魂。哪怕有再高级的工程师,再大的工程队伍,有没有非常优秀的科学家,做出来的东西的层次、水平是不一样的。

第二,管理体制、决策层对科技的支持对科技发展非常重要。量子卫星有很多风险,但是我们国家的领导下定决心让科学家去闯、去试才有了今天的成绩。在国外,比如欧洲,他们很早也想做,但是由于种种原因没有做成。

第三,做这样一件事情是高技术的结合,不是一两个科学家能做成的,需要大团队作战。我们当时做这件事,动员了科学院十几个研究所,把最优秀的、最强的力量结合起来才做成的。

最后一点,科学团队和工程团队必须要互补。科学家有很多好的想法,他要通过工程师来实现。我有时也很自豪地说,作为工程团队,我们实现了科学家的梦想。

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