王建宇：量子技术，真的会改变我们的世界 ｜ 云课堂精编
中国科学院院士，量子科学实验卫星工程常务副总设计师、卫星总指挥王建宇，不久前在清华五道口云课堂以“墨子号与中国科技创新”为主题做了一场线上讲座，本文是在不改变原意的情况下对本次讲座文字实录进行的整理和编辑。王建宇院士还是清华五道口“科学企业家”课程项目的授课师资。
本世纪初有两个非常大的科学发现，一个是科学家普朗克提出的量子论，另一个则是爱因斯坦提出的相对论和光电效应，而且爱因斯坦正是凭借光电效应获得诺贝尔奖。
科学家研究光研究了很多年，最早牛顿说光是颗粒，这确实能解释光的很多行为，但是有一些仍然解释不了。科学家惠更斯则认为光是一种波。这两个学派争吵了大概一两百年，直到本世纪初，爱因斯坦提出来说，为什么光不能既是粒子又是电磁波？这个假设后来的到验证，并确立了量子力学里的波粒二象性。
1900年，普朗克提出一个很大胆的假设，他说能量不能无限可分，而是有一种他称之为“能量子”的最小单元。爱因斯坦把这个假设引入到光学中，我们就称之为光子。
在量子力学里面还有一些我们觉得非常奇怪的原理。一个是所谓的“测不准原理”，就是说在微观世界里，如果准确测量出一个量子的位置，那就肯定测不准它的速度，反之，如果测到了速度，那肯定测不准其位置。量子力学还有一个很有名的“不可克隆原理”，在量子系统里，想要通过测量来复制一个量子，势必会导致其状态改变，也就意味着复制出来的并非原来那个量子。这跟以前电视台录节目时强调“拷贝不走样”有些类似，信号传到后面就面目全非了。
这些原理，科学家从理论上判断是存在的，但是在物理学研究里光有理论是不够的，一定要通过实验来证明它，而且不但要在地面证明，也要在太空中证明其同样存在，这就必须用卫星去验证。于是，就有了“墨子号”。
墨子号量子科学实验卫星属于中国科学院空间科学先导专项的四颗科学实验卫星之一——这个项目旨在研究、验证国际上最前沿、最基础、最先进的一些科学发展，科学家希望通过它来验证量子力学里的这些奇怪原理在太空当中到底存不存在。
三大科学任务
墨子号一共要做三件事情，第一个任务是做星-地量子密钥分发实验。大家知道，在保密通信里一旦密码被人窃取，保密就不成立了，而且密码最容易在传递的过程中失窃。能否找到一种不可能在传递过程中被人破译的密码？科学家认为，巧妙地利用量子的特征，一个是单光子不可分割原理，还有单光子不可克隆原理，就可以创造出一种不能被人窃取的密码。
那为什么要用卫星来做量子密钥分发实验？因为在地面通过光纤来分发量子密钥会遇到信道衰减问题，一般超过100公里就非常困难，相比之下，通过卫星可以进行全球范围的量子密钥分发。
比如说有一个地面站叫G1，当量子卫星飞到它的上空后，就可以产生一把叫K1的密钥，然后卫星飞到第二个地面站上空，可以建立叫K2的第二个密钥。这时候卫星上有了两把钥匙，从数学上可以做一个异或，这个异或的结果可以通过明码发给拥有K2密钥的G2地面站，它在地面做一个反异或就可以把K1解出来。因为别人没有K2，所以即便拿到异或的结果也破解不了。
第二个任务是进行星-地量子纠缠分发实验。在量子力学里，量子是不可拷贝、不可克隆的，但是根据量子力学的推导，发现个别粒子在一些非常特殊的情况下会相互纠缠，就是说当一个粒子的量子状态被确定之后，与之纠缠的另一个粒子的状态也一定被确定下来，这就是所谓的是“量子力学非定域性”。这一点就连爱因斯坦这个开创者也不认同，他说这种“遥远地点之间的诡异互动”，必定是因为量子力学的理论有漏洞。根据相对论的定域性原理，对一个粒子的测量不会立刻影响另外一个粒子的状态，而量子学派的非定域性则认为，对一个粒子的测量会瞬间决定另一个粒子的状态。为了这个问题，爱因斯坦和量子学派的代表波尔做了几十年的竞争。爱因斯坦专门还在《物理评论》 (Physical Review)期刊上发表了一篇论文，标题叫做《量子力学是不是完备的？》。
1964年，科学家贝尔推导出一个不等式，按照非量子的方法去做的话这个不等式的结果一定小于2，但是用量子力学的方法去做的话最大可以到2。有了这个不等式，就可以去验证量子纠缠现象究竟是不是存在。
1972年有人在实验室完成了这个实验，但是实验被认为存在漏洞，因为两边测量的时间间隔过长，测完一个粒子后，可能存在某种非量子纠缠的光速效应让另外一个粒子受到影响。所以后来的实验就提出要符合“类空间隔”的概念，就是对两个粒子进行测量的时间差一定要比光速传递的间隔短，这样的实验结果才能得到承认。
而且在物理学界看来，间隔一公里成立的实验不等于间隔十公里也成立，十公里成立不等于百公里成立，所以墨子号卫星要做的第二个事情就是验证在上千公里的情况下，量子力学的这种现象是否存在。对于物理界而言，这个实验比量子密钥分发的意义更重大。
墨子号的第三个任务是进行星-地量子隐形传态实验。前面提到过，量子是不可克隆的，这就意味着量子系统是封闭的，里面的信息传不出来，但是科学家认为，量子世界必定有其自己的信息传递方式。到上个世纪90年代，奥地利科学家做成了这个实验，被称为“量子隐形传态”。这个实验在物理界影响非常大，它入选了《自然》（Nature）杂志的“物理学百年经典论文”——《自然》杂志评选了最近一百年来物理学领域21篇非常有影响力的论文，包括爱因斯坦发表相对论，威廉·伦琴发现X射线等。关于这项实验的论文入选，可见物理学界对它的高度认可。墨子号的任务是要通过卫星来验证能否在上千公里距离上进行量子信息的传递。在卫星上做这个实验的效率比在地面做高出10的20次方倍，换句话说在地面其实是无法做成的。
“墨子”的前世今生
这颗卫星为什么叫墨子号？因为墨子是中国科技的先驱，《墨经》上记载了人类第一个光学实验，就是所谓的小孔成像。为了纪念这位科学家，也代表中国在光学科学领域曾经是世界先驱，因此将这颗卫星命名为墨子号。
墨子号其实是颗小卫星，并不是非常复杂，轨道高度是500公里，大概600多公斤重，所有量子实验的设备都装载在上面。我们还设计了五个地面站，分布在北京兴隆、新疆南山、青海德令哈、云南丽江、西藏阿里。
墨子号是在2016年8月16号发射，卫星上天后不到一年时间，上述三大科学任务就全部完成了。第一个是量子纠缠分发实验，验证了在1200公里的距离上这种纠缠现象是存在的。我们的论文发表在《科学》（Science）杂志上，成为当期杂志的封面文章，并且被评为2017年《科学》杂志的最佳论文。这里可贵的地方在于，该杂志每年只评一篇最佳论文，据说拿过这个奖的科学家，有很多后来都得到诺贝尔奖。另外两个实验，就是星-地量子密钥分发实验和星-地量子隐形传态实验，论文同时发表于《自然》杂志上。在《自然》杂志历史上，同一个团队能在同一期里发表两篇论文也是非常少见的。
大家可以看一下这几张照片，是我们做实验时的情况。绿色的是卫星发出的激光，我们叫它引导光，然后地面会发射一束红色激光，两边对准了才能开始做实验。这个照片都是在半夜12点拍的，因为曝光时间很长，在南山拍的这张连成一片了。
尽管墨子号的设计寿命只有两年，但是四年过去了，它现在的状态仍然非常好，科学家还在不断做新的实验。我们还与国际上的科学家一起开展联合试验，基础研究是不保密的，而是希望大家都来用，只要他们能把地面设施建好，我们的卫星都可以与之合作，所以现在欧洲好几个国家都在与我们开展实验合作。2017年9月29日，中科院院长和奥地利科学院院长利用量子保密通信进行了视频对话，实现了第一次洲际的量子通信。这个事情被评为当年全世界的十大物理学进展之一。
墨子号成功的基础
墨子号无论是从理论到实践再到工程，难度都非常大。中国为什么能够做成？它的成功，以及中国的高技术从跟踪变成引领，并不是凭空而来的，而是有历史基础的。
第一个基础在于，中国的航天技术和空间激光技术有了长足进展。自1970年发射第一颗人造卫星以来，我们在航天领域从未停下过脚步，现在我们有载人航天、探月工程、高分对地观测，还有各种各样的应用技术卫星，而且航天器的发射数量已经超过俄罗斯，稳坐世界第二。
墨子号实验中的光子传输全部是通过激光来实现的。激光通信是目前激光技术的一个重要应用领域。欧洲和日本是这个领域的领跑者，美国在2000年发射激光通信卫星失败，但是2013年美国完成了40万公里的月球激光通信演示实验，一下子把技术能力提升许多。中国在这个领域虽有一段时间落后于人，但是在近两年发展得非常快。比如说我们在海洋二号上搭载了演示系统，在天宫二号以及在墨子号上也做了相应的激光通信实验，所以我们在这个领域确实是有基础的。
第二个基础，多年的开放为我国科学家的原创提供了条件，为墨子号注入了灵魂。很多科学家通过国际合作，向世界学习，走到了诸多学科的最前沿。潘建伟院士长期从事量子理论研究，2011年当选中科院院士，多次得到国际大奖，他把量子力学上天这件事情作为自己的追求目标。
为了墨子号项目，我们在地面是做了非常多的准备。2009年之后的三年多时间里，我们两个团队经常在青海湖一待就是好几个月，对远距离量子通信、量子分发实验的可行性做地面验证。为什么选青海湖？不是因为那里风景好，而是因为青海湖足够开阔，中间无遮挡，可以提较好的光通信条件。
以前这些实验对实验条件的要求非常高，要求地基非常牢固，不能有震动，要靠人去手动校准。可是卫星是一直在运动的，怎么办？我们就用吊车、热气球来模拟卫星飞行过程当中的量子通信实验，然后我们才敢把它放到卫星上去。回过头看这些“土办法”也是一种创新。在这个过程中我们也做了一些国际上领先的事情，比如率先完成百公里级的量子密钥分发实验。
墨子号成功的第三个基础在于多学科交叉融合，强强联合。量子卫星不是一个简单的技术，卫星上天要安排发射，要有卫星平台，还要有量子纠缠源、量子信息源，是多学科的交叉。里面最难的几项技术，与量子理论无关，完全是技术层面的攻关。
第一个难题，就是卫星发射后与地面的激光通信系统要“抓得住，跟得牢，打得准”。一颗卫星远在上千公里之外，每秒钟飞行七点几公里，必须实时地跟牢它，是非常难的一件事情。我们借用了其他领域的很多先进技术，比如说天文观测方面的技术，采取“守株待兔”的办法，只要卫星从预报的地方经过，地面望远镜向天上发一束激光，卫星看到这束光并立刻向地面反打一束光回来，地面看到后迅速启动一套非常精确的精跟踪系统，其跟踪精度达到零点几个角秒。这个过程相当于从上海发射一束光到北京，要命中某一扇指定的窗户，而且要稳定在那里，才能够把天地链路建立起来。这个误差是非常小的，当时我们计算的工程精度是3.5个微弧度，也就是0.5个角秒，但是完成之后的实际精度优于一个微弧度。
第二个技术难题就是发射的激光束需要非常收束。大家知道如果把手电筒光束调得很窄的话，就可以照得更加远，卫星激光通信也是同样的道理。我们在技术上达到了理论极限的1.2倍，跟国际比较的话，应该说与美国的水平不相上下，优于欧洲和日本。
第三个难题叫偏振态的保持与跟踪测量。量子密钥的0和1实际上是利用了一种叫光子偏振态的特征。偏振这个术语听着很专业，如果大家看过立体电影或者立体电视的话，你戴的眼镜实际上就是一种偏振镜，它将光线的水平波动和垂直波动分别输送向你的两个眼睛，从而制造出立体的视觉效果。我们正是把光子的水平和垂直偏振作为0和1来调制信息，但是光子偏振在经过光学系统后都会发生变化，所以我们要有一套系统来维持光子偏振稳定不变。这个天地一体的技术在国际上没有过先例，我们经过努力以后也非常好地解决了这个问题。我们达到的指标比欧洲人在地面做的还要高。
还有一个难题在于，如此高精度的系统，卫星自身的任何微小震动都会对它产生干扰，但是卫星内部往往会安装陀螺系统这样的设备来维持自身稳定，所以我们要有一种办法，把卫星的微小震动与量子仪器隔离开来，也就是所谓的卫星姿态复合控制技术。
最后也是最难的，就是从卫星发出的一个个光子，地面不但要能收到，还要知道它是0还是1。我们使用了当前物理学界最好的探测器，就是说所谓的单光子探测器，哪怕是只是一个光子射过来它都能感应到。
用一种比较形象的方式描述这个过程的话，跟踪对准这件事情，相当于在一万米高空向地面上的两个储蓄罐投出一个个硬币，硬币不但要分别命中储蓄罐，而且要能投进储蓄罐狭长的投币口，这样才能做成纠缠分发的实验。第二个，单光子级探测器的灵敏度要达到什么程度呢？我们做了一个严格的计算，相当于有人在月球上点燃一根火柴，立刻就能被地球上的望远镜发现。
墨子号成功的第四个基础，是中国的科研组织和管理模式提供了强有力的保障。潘院士是在2003年提出开展星-地量子实验的概念，2008年在国家的支持下我们开始做地面的攻关，2011年完成地面实验，2012年量子卫星工程正式立项，2016年卫星发射上天。看上去好像时间挺长，但如此庞大的科学计划没有十几年是很难完成的。欧洲方面比我们更早提出这个概念，但是到现在他们都没有办法做成，这也体现出了我们国家体制的一个优越性，就是强强联合。中科院调动了相关方面几乎所有最强的研究所，围绕一个目标进行了将近十年的努力，同时协调航天系统，甚至还有很多部队的力量，才把这个工程完成好。
我们有一支非常年轻化的团队，除了几个总师级人员，核心都是80后。卫星四大关键设备的主设计师，三个是80后，一个是70后，他们几乎都是博士一毕业就参与这个工作，几年以后就得到了成功。如果当初他们博士毕业就到外国去，过几年再回来，也许在物质上能获得更多，但是能够参与如此重要的一个国家项目，那种获得感和成就感是别人比不了的。
量子卫星给我们的启迪是什么？它实际上与美国的阿波罗登月和中国的载人航天工程一样，是一种系统工程，它是一种高科技的综合比拼，不是一两个科学家能完成的，一定是要通过创新的合作，将理论、工程、管理等方方面面结合起来，才能把这个事情做出来。
当然，还必须要有对科学的追求，如果没有一点科学的追求，大概也做不出来。
总结下来，中国式科技创新获得成功的因素有下面几条。
第一， 原创的科学思想是灵魂，也就是所谓的科技原始创新。
第二， 管理层的快速决策带来了资源上的保障。欧洲的问题就在于难以集中管理，而我们国家在这一点上要特别感谢科学院领导敢冒风险、下定决心，才有今天的成功。
第三， 兵团式的多团队联合提供了不可或缺的工程管理。项目的成功不只是取决于科学和技术，还有管理。
第四， 科学家团队和工程团队的互补，交叉融合才能做到1+1大于2。
第五， 要有国家的长期支持，做到有所为有所不为。
第六， 还要有一个宽容失败的文化。虽然墨子号非常成功，但是航天的风险很大，如果哪一天失误了，希望大家还能继续支持。
第七， 要有一个多元化的评价机制，做科研的人，他的目标可能就是论文，做工程的人就是完成重大项目，把事情做成。
第八， 我们国家一定要在破坏性创新中发展高技术。完全跟着人家走的话，只能是跟踪，要引领的话一定是要破坏性的创新。
接下来的工作，我们可能会发展一些低价的小卫星，组成简单的量子卫星网络，逐步把量子通信从科学研究、科学验证发展成一套实用系统。除此之外，还在进行地面站小型化、移动化的改进，这样才能让更多人真正把这个技术利用起来。
我们还在考虑发一颗高轨卫星，因为更高轨道有助于提高效率，但是这也意味着对技术提出的挑战将提高一个数量级。我们将在国家重大规划或者重大专项的支持下继续发展空间量子通信技术，技术水平会比墨子号更上一层楼。
广阔的应用前景
量子力学还可以在哪些领域发挥作用？
第一个是量子陀螺仪，陀螺仪是导航装置里非常重要的一种器件，以前没有GPS卫星导航的时候就靠它。但是传统陀螺仪精度有限，轮船用它来导航的话，每隔几天可能就要校准一次，但如果采用量子陀螺仪，大概一年半载也无需校准。
再比如量子定位系统。现在GPS定位很普及，但它的精度同样有限制，会受到大气的影响。如果用量子系统定位的话，可能不用地面基站就能完全达到现在利用地面基站才能达到的精度，而且能保证定位系统的安全性。
量子科技还有一个非常重要的领域，就是量子计算。大家都知道有一个“摩尔定律”，尽管半导体技术仍然在按照这个节奏往前走，但近些年确实碰到两个瓶颈。一个是集成度发展的极限，第二个是计算机能耗。
那么量子计算机和电子计算机有什么大的区别？第一个，传统的电子计算机是采用0和1组成的二进制代码，而在量子力学里所有的东西既可以是0也可是1，其状态是以概率决定的，也就是说两个量子可以创造出很多状态来。所以根据一些科学家预测，如果有300个量子比特，其数据承载能力将达到经典比特的2的300次方倍，比现在全世界所有计算机的存储能力加起来还要大。
2006年《Physical Review Letters 》刊登了滑铁卢大学一位物理学家的文章，他说尽管计算机发展遇到了这样的挑战，但是他觉得计算机可以继续发展。他说：“计算机从来就没有做我们想让它做的事情，他能做的最多只是一个近似。”因为计算机的所有计算都是通过近似来达到的。但是他认为当计算机发展到量子水平以后，我们就能用量子计算机来准确处理我们想做的事情了。
他还讲了一个故事，他说：“莱特兄弟制造飞机的时候，一些物理学家说那是不可能的，但是现在我们即便看到庞大的波音747也不会感到惊奇了。”他的意思就是，一旦我们理解了量子力学，知道了量子行为规则，掌握了如何控制量子现象，量子计算机就能研制成功并投入使用。我认为，量子计算一旦成功，其影响力将比量子通信大得多，它是真正会改变我们这个世界的。
最后我想说，中国式的科技创新正在从“相同”到追求“不同”，从“跟踪”走向“引领”，从“科学的春天”迈向“创新的春天”。我们中华民族之所以能够一次又一次从困境中奋起，是因为有一种特殊的基因，那就是伟大的中国式的创新。
扫码咨询课程详情
或者电话咨询：
010-62782638
欢迎大家来清华大学五道口金融学院学习，点击“阅读原文”了解更多课程内容。