​王建宇：量子与航天之路上的种种难关 | 量子年夜饭（四）-凯时尊龙官网

演讲 | 王建宇（中国科学院上海分院副院长）

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非常高兴今天有这个机会和我们潘院士、年轻的同事们一起参加这个活动，我和潘老师十年磨一剑，我们是2007年相识，就是为量子相识，今天也是为量子走到一起。我们这个实验室叫中科院空间主动光电重点实验室。

刚刚潘院士已经讲了很多量子，我们再回顾一下。

现在有意思来了，爱因斯坦说过，他是对量子论持怀疑态度的，我们这颗量子卫星则是要证实量子力学的正确性，（而且证明的方式）用了老先生提出来的激光理论，用激光去证实它。

所以辩证法或者唯物主义来说，什么事都是实事求是，自己提出的东西也可以打自己。

因为今天我的题目是量子、激光和航天工程，我们来回顾一下历史。

卫星的历史

激光器的历史

回过来看，1960年美国人根据爱因斯坦理论造出了第一台激光器，我们中国人也不赖，1961年马上就造出来了，中国的第一个激光器，这个激光和传统的光源前面已经说了，因为它是受激的光源，它有很多特点。

一个单色性非常好，什么波长就是什么波长；第二个就是指哪打哪，我们现在一千公里，上面指下来打到哪里；和太阳光相比，它的波长比太阳要高10的10次方倍。

很快科学家把这两个特点联想到一起，激光这么好的东西我如果在天上用会怎么样？

美国人很多还是先驱者，在阿波罗登月的时候，那时候激光也有了，登月阿波罗工程还是一个伟大的工程，但是他要把这个做到天上去还是有困难的，所以他们就在天上埋了一个东西，我们叫激光反射器，地面激光打上去，照亮这个反射器，反射回来探测这个距离。1994年的时候，美国人第一次把激光装到克莱门汀的小卫星上面，拿它去探测月球。

在这之后，不断有新的成果涌现，我也非常高兴。我们中国2007年第一颗带激光的卫星上天，这颗卫星就是嫦娥一号，上面有一个激光高度计，这是我们团队做的。

►1961年8月，中国第一台激光器——"小球照明红宝石"激光器，在中国科学院长春光学精密机械研究所诞生了。

这个是我们2007年做的一个工作，把我们中国第一台激光高度计送上天了，画出了月亮的三维图形，当时还比较自豪地说，原来美国人做这个是个斜轨道的，所以他（月球）两边测不到，我们号称是全世界第一次测到了月球两截的一个东西。

►2007年，嫦娥1号搭载激光测高仪，进行月面地形测绘。该载荷由上海技物所研制。成功完成1年绕月，获取912万高程数据点，绘制3km格网月表dem模型，填补国际月球两极地形空白。

这里还有一个比较，这个是原来美国克莱门汀上去的一个图，我们也做了一个比它的清楚。但是很郁闷，2009年美国人又打了一个，实事求是说，他画的图比我们的清楚多了，所以一下又被人赶上了。

►2009年，nasa发射月球测绘卫星，首次采用多波束方案进行激光测绘。

激光有数不清的应用

实际上激光测距的技术可以做很多事情。

• 气象

比如这个是美国人做的一个（卫星），他就可以测量各个地方冰的变化，它测出来03年到08年，北极的海冰的厚度在逐步变小，就是温室效应。

• 全球地理

美国人也非常牛，他有一个list计划，我们现在看到的地形的测绘都是用相机相对测量完成的，这个存储过程比较复杂。如果我们可以用激光直接测量，所以美国人在2025年要发一颗卫星，全球5米的分辨率，就是每个5米就有一个激光点，所以可以把全球的三维测得非常清楚。

当然我们也在做这个工作，但是我非常遗憾地说，和它还是有差距的。

• 空气污染

激光还能测很多东西，还可以测大气，现在雾霾比较严重，国际上也是有很多人用激光来测雾霾。怎么测呢？道理说穿了也不难，激光发出后就是一颗颗光子，光子和雾霾的小颗粒发生作用，光学里叫散射，而且不同的物体对不同波长的光子的散射直径吸收都不一样，我可以利用这些数据来测量环境的变化。

►2007年，上海技物所研制的激光测高仪随嫦娥一号月球卫星发射升空。

大家知道前两天公布的我们国家发的第一颗碳卫星，探测二氧化碳分布的，当然这颗卫星不是用激光，是用高光谱探测，但是国际上已经发了激光探测卫星，我们国家也在准备。

所以用激光可以测，我们叫气溶胶或者云探测，国际上面1994年就开始做了。这个叫calipso，是美国发的第一颗测微粒的卫星，那么它测出什么东西呢？ 

2007年5月份，它测到了沙尘从中国西北地区进入北京，接着又测到了从撒哈拉沙漠到北美大陆的沙尘暴，所以说之前（沙尘暴会迁移）的推测是对的。

北京曾经有很多沙尘暴，前两天上海天也不好了，说不定就是北京前一段雾霾漂过来了，卫星确实测出了这个现象。

• 物质探测

激光还有一个很大的用处，现在我们要看宇宙，要看火星、看木星甚至更远，中国人现在总算看到月亮了，现在计划也要去看火星了。不像地球上，我拍了照片以后可以测量一下这个是什么东西？有可能多少年以后人把火星（上的物质）带回来，但是现在还是不行。所以要知道火星上面到底什么物质，激光有用。

它有一个原理叫激光诱导击穿光谱，是什么呢？激光足够强，打到一个物质上，就可以把物质气化，产生等离子体，不同的物质会发不同的等离子光，测量这个光谱就知道都是哪些物质了，这是个很重要的技术，深空探测非常有用。

美国人在11年做了一个，做得蛮成功的，所以18年准备再做一个，在火星探测时使用。美国人做了，欧洲紧紧跟上，欧洲人也在做。

这个是美国好奇号，当时探测的一个结果，它测出了着陆的地方有这么多化学元素。美国人2020年要发第二代，探测火星，中国也有这个计划，在2020年的时候，中国也要降落火星，我们的实验室非常荣幸，也要做这么一台东西在2020年发射到火星上去。

►中国计划2020年向火星发射着陆探测器，搭载libs系统。

• 激光通信

激光还有一个非常实用的方面，我们做量子通信以后，人家说你们这个和激光通信到底什么关系？

确实有点相像，但是本质上完全不同，因为光是这么来的，我们最早用无线电，把信号载在无线电里，到收音机里把这个截出来，歌曲、讲话都能浮现出来。后来发明了电视，又把图像载到电视里面去了，那么这里有个什么区别呢？

最早的中国无线电它载波的波长很长，应该说是频率很低，波长很长，所以它能载的信息比较少，要用图像看电视这个频率就比较高了，所以你能调制进去的信号就多了。

所以像现在我们卫星向地面发信息一般都是用微波，可以达到每秒钟几百兆这个量级。现在卫星越做越复杂，信息越来越多怎么办呢？他们说光可以，光的频率比微波又要高好几个数量级。

所以现在用激光来载信息，这个是最先进的通信模式，当时科学家做了很多尝试，日本人是第一个做成的，九几年就有一个实验，有个卫星和地面通信一下，欧洲也做，目前来看欧洲人对这个比较痴迷，德国人08年做了一个实验，大概每秒钟可以载5.6g的，家里网络的带宽200m就已经很快了，它每秒钟是5.6个g，就相当于又高了好多倍。

日本人在这个问题上它是做得比较早的，但是最近一段时间停下来了。美国人也做这个，美国人后来居上，在2000年的时候做了一个激光，但是失败了，失败的原因是什么呢？天和地没对上，这个我后来会联系到我们量子卫星，其实这个对准是很难的，就是美国人他也有对不上的时候，他失败了，不过马上13年他把这个东西做到月球去了，从月球传了信息过来，从月地达到600多兆的数列，这个就是我们国际上也是第一个从其他星球用光把信息载回地球来。

2001年的时候，我们在海洋2号上面，我们国家搭载了一个演示的装置，达到了500m的频率，我们这两颗量子星和载人航天里面都搭了类型的东西，在921里面我们现在是1.6个g，在量子星里面是5.12个g，当然现在还在实验当中，虽然没有正式公布成功，但是我是充满信心肯定会成功。

►量子星-量子密钥通信机（搭载1550nm相干通信）

这个就是介绍的激光和空间的合作，前面我的感觉激光和空间上非常有用，有很多地方能用；第二我们中国人也不赖，每次都能紧紧跟上，但是大家可以发现有一件非常郁闷的事情，所有的东西都是我们紧紧跟上，哪怕有时候你超越人家一点，过两天又被人家赶上了。

下面我要说说我们量子卫星，应该说这件事情我们是领跑者。这里我觉得很重要的一点，中国某种意义上，技术上是可以努力达到的，关键是思想，如果不提出思想，再好的技术没用。

所以我下面来说我们这个量子卫星，刚刚潘院士讲了原理，我们彭总也讲了很多了，所以我们上去就是要做三件事，密钥分发、纠缠分发和隐形传态。这个刚刚也讲过了，我就不再说了，地面上一共有五个地面站。

• 量子卫星依赖激光

我这里要说的是什么呢？为什么我说量子、激光和航天技术，其实这三者是紧密相连的，我们这颗卫星和其它卫星相比最大的区别在哪里呢？

比如说刚刚发射的碳卫星，它的原理是相对简单的，卫星用光学设备被动探测地面二氧化碳分布的情况，把信息收上去以后通过数传的通道把图像全部发下来，科学家进行分析就可以了。

量子星就复杂的多，除了传统技术以外，我们还有光的联络。第一个刚刚彭总说的，量子星是很亮的，从天上打下一个光。这就相当于两个人拿手电筒互相照，天上有信标光下来，地面让天上要看到地面站，地面有信标光上去，然后我在这里面，一个个光子是靠时间同步把它挑出来，有上下的时间同步光，

我还要做量子通信，我用天上发下来的量子光，还有地面打上去的，做隐形传态，地面要把一个个光子送上去，后来领导又要说，把激光通信载在里面，激光通信又要从上面把激光打下来，下面要把激光送上去，所以我们前前后后七八条光的联络，这个是其他卫星没有的，同时你看所有这些光的联络都由什么东西构成的呢？全部是用激光。

任务艰巨

大家可能问，你说量子卫星很难，难在什么地方？

简单地讲几件事情，第一个，卫星（从地面站上方经过）要抓得住（卫星打下来的光）。我不仅要找得到，而且要跟得牢，而且光（从卫星）打下来要打得准，怎么做呢？

卫星从地面发射后，因为卫星是绕着地球转的，它出来以后到5度的时候，地面站就要寻找卫星。量子卫星做纠缠分发，第一个要求就是卫星一出地平线，大于1000公里的时候找到两个地面站，卫星在天上飞行的速度是每秒7点几公里，将近8公里，在这么快的速度地面站也要跟住卫星。

• 抓得住

我简单介绍一下这个过程，卫星出地平线后，我借用（天文台的）望远镜守株待兔。国家为什么要建这么多天文台？天文台看东西的技术还是很好的，想看什么地方它给你指什么地方，卫星轨道运行以后是有预报的，这个预报精度也很高，它可以告诉你某一刻在什么地方，大概精度是几百米。

天文台的望远镜在卫星出来后就从地面就照一束光上去，这个就是地面的信标光，红颜色的，照到卫星上，卫星一看到这个光，知道了，下面在打招呼了，它就赶紧向下发一个绿颜色的光，这两个一对眼，他们都看到了，然后卫星跑一点，光就跟一点，死死跟住卫星，就这么一条轨迹，最后我们就可以做通信了，这个就是抓的过程。  

• 跟得牢

第二个，只抓住光还不够，量子光是一个个光子，和激光不是一个光族的，是不同地方发出来的，所以我要把它对绕。

举个例子，这个相当于是星上发下来的量子光的分布，红色是地面站，如果我不放在中间的话它的信号就小很多，所以我要跟绕卫星，而且把量子光打得准，我们通过自主设计的一套系统复合轴跟踪，怎么操作呢？

先把大的找到，我们有一个粗跟踪相机，再把它细分，先把这个光引到大的里面，再从大的里面引到更精细的，最后达到秒量级的精度，才有我们整个一路跟过去的结果。

• 打得准

我们完成以后还是比较自豪的，第一我们抓得住，抓得很快，光出来一秒钟我就把它抓住了，也时候光被云遮住了，再抓，零点几秒就能抓住了，第二个我盯得牢不牢？

大家可以看一下数据。国际上一般是欧洲人做这个，大概最后能抓到是1.5个微弧度，我们现在修整以后同样也能做到1.5个微弧度的，构造大概的精度是一样的，但是我们的比他难，难在什么地方呢？第一个我们是一拖二，我们一个要打两个。第二个，他们做的这些实验都是在星间做的，没有大气，我们是要透过大气层，光透过了大气层以后会抖动的，所以在这个基础上，我们现在至少是国际最前沿的水平。

• 偏振态保持

大家知道，一个手电筒，你把它的光调的很细了，就可以看得很远，现在我们要（把光）调到理论上接近极限。

还有一个很难的事情，就是刚刚说的做通信、计算机会有0101，我们（量子力学）的0101是指光的偏振状态。

大家知道光有一个特性，它会不停的振动，我们可以利用它的这个性质。比如有一种立体电视，它就是利用这两种不同振动的方向，一个眼睛接收水平的，一个眼睛接收垂直的，合成出来就变成一个三维的。我们在这里面也利用了偏振的特征，就是根据不同的偏振方向确定不同的量子状态。

但是偏振也给我们带来很多麻烦，它经过光学系统以后它会变，比如一个垂直振动，一个水平振动，经过某一个镜片后，它变到45度振动了，你搞不清楚它原来到底是水平的还是垂直的，这样我们就没法做实验了。

所以我们要想办法，要么让它保持状态不能变化，或者我能测出来它变了多少，大家一起变，这就是我们要做的偏振态保持。

测量这两个的时候，还有基矢，一个水平偏振一个垂直偏振，你发的时候，我有一个坐标是这么放的，如果地面这个坐标现在和你不一样，两个都对不上，但是恰恰卫星在绕地球转的时候，卫星上的基矢是团团转的，所以我们要把它找回来。

所以我们做了很复杂的一套系统，在基矢往这个方向转的时候，想办法把它转回来，或者测量下来，在地面上把它转回来，让两个基矢死死地咬住，我们专门做了很多实验，到飞机上、在地面上，验证了我们这个方法是正确可行的。

• 单光子探测

还有一个难点就是探测单个的光子，我印象中，潘院士第一次见我们的时候，他就说：“王院长，这个还是很难的。”

我们要从一千公里的高度把一个个光子发到地面上，当时确实是很困难。现在有单光子探测器，一个光子过来会出一个脉冲，我们用这个办法可以探测到一个个光子，但是这个光子确实是有点远，目前是从上千公里外发出来的，我们难在什么呢？就是我们想了很多办法，我们上面一个望远镜收到的不单单是这个光子，还有很多其他的光，比如卫星发出的信标光，这个信标光是为了方便跟踪的，所以越亮越好，越亮跟的越牢，但这就和探测矛盾了。

量子光是一个一个光子，这就相当于从大海里面找出一滴水，非常的难。光学上可以用频率的绿波，用空间把光的颜色分开，不同频率的光走不同的地方，然后我把光遮掉，还有一个技术就是用时间滤波，我知道这个光大概什么时候发出的，上面的同步光打下来，我就把这一段时间的挑出来。

这个红的就是我发出来的量子光，绿的就是她暗计数，但是如果计数里有一个绿的进里面了，那就增加一个噪声了。因为这些技术太专业，如果形象一点表达，我们相当于什么呢？相当于对准技术，相当于我在万米高空的飞机上向地下扔一个硬币，这一个硬币相当于一个光子，飞机飞行的速度模拟卫星飞行速度，当然卫星是没办法那么快，但是因为飞机低，所以角速度是差不多的。

►从万米高空高速飞行的飞机上同时向地面两个旋转的储蓄罐细长的投币口扔一个个硬币。

这个硬币下来以后，我在地面随便放一个储蓄罐，要从一万米高空把硬币投进这个储蓄罐。

储蓄罐的投币口一般都是细长的，这个相当于是偏振，它是有方向的，一定要把控好，所以我这个硬币不但要打中它，而且要把它方向对好才能扔进去，而且扔的时候要像做纠缠实验，一扔不是扔一个，要两边都扔准才行。

第二个，我们探测一个个下来的光子，探测器的灵敏度相当于呢？我们做了一个计算，一根火柴划一下大概有10的17次方的光子，我们的探测能力相当于在地球上要发现在月亮上有人划了一个火柴，我们要把它探出来。

我们还要在每秒一亿个光子里面，搞明白我们探测到的是第几个光子，这些光子都是排好队的，我抓一个，要知道它是第几个光子，这样我才能用来做密钥，这是非常简单的一个小节。这个是我们量子星发射前的留影，这个就是把它装在火箭的头上出发了，谢谢大家！