与有荣焉——我和祖国的高光时刻：袁岚峰与墨子号量子卫星 | 科技袁人

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大多数人可能没有意识到，量子信息是极少数的中国处于领跑地位的大的科技领域之一。

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本视频发布于2021年6月28日，观看量已超百万

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大家好！我是科技袁人袁岚峰，感谢西瓜视频邀请我参加“与有荣焉——我和祖国的高光时刻”活动。建党百年，祖国有很多高光时刻。对我影响最大的之一，是2016年8月16日的“墨子号”量子科学实验卫星发射。

“墨子号”量子卫星发射

这件事对我的影响，是公众对量子科学产生了强烈的关注，许多媒体来找我采访，极大地促进了我的科学传播工作。经常看我的节目的观众会发现，我讲的领域特别广阔，既包括中国科技在世界上的地位这种宏观题目，也包括量子信息、核聚变、引力波、霍金辐射、青蒿素、高温超导、辛普森悖论、超级计算机、制药、疫苗、蓝眼睛岛问题、人工智能、地外行星、黎曼猜想、氢弹、黑洞、登月、宇宙学、孪生质数猜想、统计学、对撞机、火箭、航空发动机、石油、芯片、核战略、碳基半导体、亚铁氰化钾、北斗、火星探测、宇宙速度、FAST、石墨烯、网络安全、嫦娥五号、冷冻电镜、日本核污水排放、空间站、宇称不守恒等具体领域的科学知识。甚至在新冠疫情来临的时候，我都在这个我不熟悉的领域做了不少应急科普。但如果要问哪个领域我讲得最多，那回答就是量子信息，因为这是绝无仅有的一个我对它有深入了解、公众也对它有浓厚兴趣、而且有改变世界潜力的真正的未来科技。

大多数人可能没有意识到，量子信息是极少数的中国处于领跑地位的大的科技领域之一。如果看我国的科技新闻，当然可以看到大量的成果。但仔细研究一下就会发现，其中大部分都是追赶，都是别人已经做到了某件事，现在我们也做到了。用一个常见的说法，就是“me too”型的研究，我也行。这当然是有意义的，但光靠这种追赶型的成果永远不可能成为领先者。

我国只有少数的研究成果是领跑，即率先做到某件事。然而其中大部分又是通过加限定词做到的，如条件A、B、C、D下第一个做到某件事。如果A、B、C、D还不够，那再加个E。只要你的领域足够细分，那么你总能找到超越前人的地方，因为谁都不可能穷尽所有情况。爱因斯坦有一句名言：“我不能容忍这样的科学家，他拿出一块木板来，寻找最薄的地方，然后在那里钻许多洞。”但其实大多数科学工作者正是这么做的，人艰不拆啊！

爱因斯坦吐舌头

然而量子信息却不是这样，中国在这个领域的领跑都是在主干道上，是所有人都想做的，不是加一堆限定词。例如墨子号是全世界第一颗实现星地之间量子保密通信的卫星，而且到目前为止仍然是唯一的一颗。有人以为是别的国家不想做，但其实完全不是这样，想做的国家多的是。

例如2017年，日本信息通信研究机构（National Institute of Information and Communication Technology，简称NICT）发射了一颗名叫“苏格拉底”（SOCRATES）的超小型卫星，号称实现了量子通信（日本真的成功进行超小型卫星量子通信实验了吗？| 袁岚峰）。日本媒体为此欢呼，宣称原本需要大型卫星的量子通信现在可以用更低成本的小型卫星来实现。

日本的微型通信卫星“苏格拉底”，来自研制单位NICT的主页

但我看了他们的论文（https://www.nature.com/articles/nphoton.2017.107）以及跟我国的量子信息研究者讨论后发现，日本这颗卫星并没有实现量子通信。

NICT的论文《用一颗50公斤级别的微型卫星实现星地之间量子极限的通信》

这里的关键在于，量子保密通信必须要一次只发一个光子，但日本的苏格拉底卫星由于跟地面的对准做得不够好，一次要发一亿个光子才能让地面收到信号。这就完全不能保密了。所以日本这颗卫星只能说是试验了一些与量子保密通信有关的技术，离实现量子保密通信还差十万八千里。定量地说，还差一亿倍。

“使用了比量子密钥分发所需的更亮的激光脉冲”，这话实际的意思就是没有实现量子保密通信，因为量子密钥分发就是量子保密通信的专业名称

而中国的墨子号就是实打实地实现了量子保密通信，因为它跟地面的对准做得非常好，一次只发一个光子就能让地面收到。例如看这张照片，墨子号与河北兴隆的地面站对准。其中绿光是兴隆站发出的信标光，红光是墨子号发出的信标光。请注意，信标光不是用来通信的，而是用来对准。因为通信用的是单光子，单光子是不可能让你看见的，如果看见了就意味着这个光子进入了你的眼睛，那就不可能被地面站接收到了。这里的红光排成一个扇形，是因为这张照片是多个时间的叠加，同时星星的移动也形成星轨，产生了美丽的艺术效果。

星轨背景下墨子号量子卫星与兴隆站用信标光对准

卫星相对地面不是静止的，而是在以几公里每秒的速度飞驰而过。所以这样的对准是非常困难的，好比“在五十公里外把一枚一角硬币扔进一列全速行驶的高铁上的一个矿泉水瓶里”。而中国做到了！请大家仔细想想，这是多么惊人的技术！

除了日本以外，德国、英国也在筹划发射量子通信卫星，但都还没有成功（英国计划发射多颗量子通信卫星 | 量子科技 国际新闻·政策）。从2016年到现在已经5年了，所以我们领先他们至少5年。

如果单说中国做到了某某事情，许多人可能还意识不到这件事有多重要。但一旦你知道很多其他国家也在向这个方向努力，你就会明白它的重要程度了。所以很多时候，一个科技的先进程度，是在跟其他国家的对比中显示出来的。

当然，大多数人可能都是只听说过“量子”这个词，而对它的原理完全不懂。例如对于墨子号卫星，许多人不清楚它是干什么的。我以前做过很多期节目，所以在这里只简单地回答一下：墨子号实现了星地之间的量子保密通信，它是一种“无条件安全”的保密传输方法。无条件安全的意思，就是它不会被任何的数学方法破解。量子保密通信为什么能做到无条件安全，请参见我以前的节目（量子加密惊现破绽？请媒体提高知识水平，不要乱搞大新闻 | 袁岚峰）。

量子密钥分发

此外，墨子号卫星还实现了其他的科学任务，如星地之间的“量子隐形传态”、相距上千公里的两个地面站之间的“量子纠缠分发”，以及检验了一种量子力学与广义相对论融合的理论等等。

星地量子隐形传态实验示意图

下面，我再简略地介绍一下量子信息这个学科的基本脉络。

量子信息的三个分支

首先，有一个基础物理学理论叫做量子力学，它跟相对论并列为当今物理学的两大支柱。近四十年来，量子力学跟信息科学结合起来，产生了一个新的交叉学科“量子信息”。新闻中报道的量子科技，绝大多数时候指的就是量子信息。这是一个蓬勃发展的研究领域，是学术界的主流而不是偏门，全世界有大量的科研人员投身于此。普遍认为，量子信息跟可控核聚变、人工智能并列，属于颠覆性的未来科技。

我们平时用的信息技术包括手机，这是用来通信的；以及计算机，这是用来计算的。还有钟表、尺子、温度计等等也可以算作信息技术，它们是用来测量的。相应的，量子信息也分为三个领域：量子通信、量子计算与量子精密测量。它们的目标，都是利用量子力学的特性，超越传统的信息技术。

例如GPS和北斗等卫星导航系统的核心技术，叫做原子钟。它是目前最精确的定时装置，基于一个原子在两个能级之间跃迁发出的光的频率来定时（从宇宙诞生到现在，误差不超过1秒，冷原子钟是什么神器？| 科技袁人）。通过确定时间，再乘以光速，就可以确定距离。原子钟就是典型的量子精密测量技术。

卫星导航系统

又如最近潘建伟院士、窦贤康院士和徐飞虎教授的团队发展的“隔墙观物”技术（隔墙观物的黑科技，是怎样炼成的？| 袁岚峰）。以前通过镜子的反射，我们可以看到视线之外的物体。

李小龙电影《龙争虎斗》

但现在基于单光子探测的进步，我们可以通过墙壁的漫反射看到物体，而且探测距离长达1.43公里。也就是说，如果有个恐怖分子躲在1.43公里外的房间里，警察就能发现他。而且他完全意识不到，因为用的是红外光。

非视域成像原理示意图

量子信息不但可以提高性能，还可以做到以前不可能的事。例如科幻电影中的传送术，以前是完全的幻想，而现在对应一个真实的技术。它叫做“量子隐形传态”，属于量子通信领域。

《星际迷航》中的传送术

中国在量子隐形传态方面，也走在世界前列（让中央集体学习的量子科技究竟是啥？这个科普我已经做了五年（六）传送术与量子隐形传态 | 袁岚峰）。

2015年，我国在世界上首次实现多自由度量子隐形传态

总结一下。在量子通信方面，中国明确是世界领先的，墨子号卫星发射就是中国达到领先的最显著的标志。在量子计算方面，中国以前落在欧美后面。但2020年12月刷屏的“九章”（量子计算机有多神？它能解决哪些历史无解的难题？| 袁岚峰），是人类目前在量子计算机领域取得的最大的成果。这标志着中国现在和美国在量子计算方面并驾齐驱，共同组成第一方阵。

2020年12月5日，作者和苑震生教授在九章中向观众介绍九章

一个有趣的花絮是，2021年1月21日，法国总统马克龙宣布启动“法国量子技术国家战略”，计划五年内在量子领域投资18亿欧元（http://digitalpaper.stdaily.com/http_www.kjrb.com/kjrb/html/2021-01/25/content_461752.htm）。这将使法国在资金投入方面超越英国和德国，仅次于中国和美国，位列世界第三。

如果去看法国《世界报》的原始报道（https://www.lemonde.fr/politique/article/2021/01/21/emmanuel-macron-presente-un-plan-quantique-de-1-8-milliard-d-euros-sur-cinq-ans_6067037_823448.html）或者它的英文翻译，会看到更有意思的提法。马克龙说，法国要进入量子科技的世界三强（the world’s top three）。前两强是谁？当然是中美。

法国《世界报》的报道《马克龙希望让法国进入量子科技的世界三强》

马克龙还说，我们要保持我们的人才和某些技术不依赖于两个和我们竞争的国际强国，即中美（We need to keep our talents, and also keep certain technologies so as not to depend in particular on the two great international powers [China and the USA] which compete with us）。这话是不是听着耳熟？只不过位置换了？

马克龙说，我们要保持我们的人才和某些技术不依赖于两个和我们竞争的国际强国

以后如果这样的新闻越来越多，经常听到其他国家信誓旦旦要赶上中国，把“仅次于中国”作为一种了不起的成就，就像我们以前经常把“仅次于美国”作为了不起的成就，中国人民的自信就会逐渐建立起来了，就会逐渐在心态上接受自己是领跑者，像领跑者而不是跟跑者那样去思考、去做事。这是这个时代最有趣的潮流。

扩展阅读：

作者简介：本文作者袁岚峰，中国科学技术大学化学博士，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员，中国科学技术大学科技传播系副主任，中国科学院科学传播研究中心副主任，科技与战略风云学会会长，“科技袁人”节目主讲人，安徽省科学技术协会常务委员，中国青少年新媒体协会常务理事，中国科普作家协会理事，入选“典赞·2018科普中国”十大科学传播人物，微博@中科大胡不归，知乎@袁岚峰（https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8）。

责任编辑：孙远