首席科学家谈墨子号三大任务 中国获多个世界首次

　　中国领跑量子太空竞赛

　　——对话量子科学实验卫星首席科学家潘建伟

　　■本报记者　邹维荣　陆荣军

　　写在前面

　　这是一场人与自然的角力。

　　自上世纪末以来，人类对自然界的能量最小单位——量子的认知，开始突破瓶颈达到新的高度，催生了量子信息科学。量子信息研究以量子通信等领域为切入口，逐渐迎来了“全速发展期”。

　　而在此当中，很多个“世界首次”，均来自于“中国队”。从首次成功实现量子态隐形传送以及纠缠态交换，首次实现安全通信距离超过100公里的光纤量子密钥分发，到建成国际上首个规模化量子通信网络，中国科学家逐步跻身于国际一流的量子信息研究行列，量子通信的产业化也在中国科学家的全力推动下得到快速发展。

　　随着量子科学实验卫星“墨子号”的顺利升空，中国成为全球第一个在卫星和地面之间进行量子通信实验的国家。这场长跑竞赛，不仅是各国科学家之间的创新之争，更是人类有限的认知与无尽的自然奥秘之间的角力。

　　量子通信利用微观世界的最小单元，实现了信息永远不会被破解的奇迹。

　　把量子实验“搬”上太空

　　问：当大多数人满足于在实验台上研究量子信息时，您已经开始思考如何能够在太空中实现信息的隐形传送。为什么一定要把量子实验“搬”上太空？

　　答：突破经典信息技术的瓶颈，对于保护国家和公民的信息安全至关重要，对发展下一代信息产业也有着深远影响。量子通信是迄今唯一被严格证明为无条件安全的通信方式。量子不可分割、不可克隆，所以能保证加密内容不被破译。它可以从根本上保障信息安全、保护全人类的隐私。

　　不同于经典通信，量子保密通信的安全性是建立在量子物理基本原理的基础上，从原理上讲是无条件安全的。然而，由于光纤的固有损耗，在光纤中实现远距离量子通信面临着巨大的挑战。在1000公里光纤中进行点对点量子通信，每300年也只能传输一个比特。因此，要实现覆盖全球的广域量子保密通信，还需要借助卫星中转。另一方面，卫星也为大尺度的量子物理基本问题实验检验提供了天然的平台。

　　担负多项科学实验任务

　　问：“墨子号”量子科学实验卫星主要的科研任务有哪些？

　　答：首先，通过量子卫星实现卫星和地面的量子密钥分发，从而实现广域的量子保密通信。光纤传输的过程中信号损失相当严重，如果人类想实现远距离量子通信传输就必须建立多个安全可信的信号中继站，这无疑大大增加了信息泄露的几率。科学家经过研究发现，光在穿透大气层的过程中能量损失仅为百分之二十，利用空间中的量子卫星作为地面网络的中转站，可以将地面多个城市中建立起的城际量子通信网络连接起来，极大地提高量子通信的效率。

　　其次，“墨子号”还承担着对量子力学本身的基本原理进行检验的实验任务。量子纠缠态是量子力学中的一个经典现象，量子卫星把这个实验带到外层空间，将在国际上首次实现千公里量级的量子非定域性实验检验，对于人类加深对量子力学基础理论的认识具有重要意义。

　　第三，“墨子号”将连接中国和奥地利之间的量子通信网，以证明全球规模的量子通信网络设想是可行的。作为建设“天地一体化”通信网络的重要组成部分，“墨子号”量子卫星与普通卫星相比存在着巨大的差异。发射升空的量子卫星以及多个地面观测站，共同组成了前所未有的覆盖地面和空间的巨大实验网络。

　　“墨子号”如何实现精准定位

　　问：“墨子号”量子通信卫星如何保证距离地球表面数百公里的光信号能够顺利被地面光学天线接收？

　　答：作为天地一体化的空间中转站，“墨子号”量子通信卫星承担着发射和传输光信号的重要任务，要想保证距离地球表面数百公里的光信号能够顺利被地面光学天线接收，难度就好比是“针尖对麦芒”一样。

　　由于卫星发射的光信号是极其微弱的单光子级别，在由空间向地面传输的过程中会受到许多因素的干扰，比如星光、灯光等都将成为干扰信号传输的背景噪声。此外，卫星的运动速度很快，地面的光学天线必须时刻紧跟卫星的“节奏”才有可能实现信号的准确接收。所以，在“墨子号”量子通信卫星的设计过程中，不仅要克服各种噪声的干扰保证信号源的稳定，同时还要实现与地面光学天线的准确对接。尽管是如同“针尖对麦芒”般苛刻的实验条件，但是在我国科学家的不懈努力下，如此不可思议的技术难题也依然得到了解决。

　　构建广域量子通信网络

　　问：作为空间科学先导专项的科学实验卫星之一，也是世界上首颗以量子科学实验为目的的科学卫星，量子科学实验卫星的研制发射将带来怎样的意义？

　　答：量子科学实验卫星的发射成功，在国际上率先实现了高速星地量子通信。结合地面即将建成的“京沪干线”千公里级广域量子通信骨干网络，可以初步构建我国空地一体的广域量子通信体系，为率先建成全球化的量子通信网络奠定基础。

　　一个天地一体的全球化量子通信基础设施建成以后，能为未来的互联网提供基于量子通信技术的安全保障，形成完整的量子通信产业链和下一代国家主权信息安全生态系统。

　　同时，量子科学实验卫星的研制也将促进空间光通信、空间单光子探测、星地高精度时间同步等技术的发展，在量子通信技术实用化整体水平上保持和扩大国际领先地位，实现国家信息安全和信息技术水平跨越式提升。

　　从原始创新到成果转化

　　问：您曾在接受媒体采访时提到，科学家不仅要关注原始创新，也要鼓励成果转化。您认为在空间科学发展方面刚刚起步的中国，应该如何进一步推动我国空间科学发展与社会科技进步？

　　答：我国以往的空间计划中，大多是为了应用的目的，以科学家为主导的、特别是以基础研究为目的的项目尚未形成专门系列。基础和应用从来都是相辅相成的，比如我们从事的量子信息研究，正是起源于对量子力学基本问题的研究，随着量子调控技术的进步而产生了包括量子通信在内的量子信息科技；在推进量子通信技术的实用化过程中，产生了发射卫星的需求，使得我们进一步发展技术，而星地量子通信又为更加深入地检验量子力学的基本原理提供了平台；量子科学实验卫星发射成功后，又可以推动空间光跟瞄、空间微弱光探测、空地高精度时间同步、小卫星平台高精度姿态机动、高速单光子探测等技术的发展，如此形成一个良性循环。

　　小知识

　　“接地气”的量子

　　多年来，科学家致力于运用量子世界种种奇异的性质开拓出适用于经典世界的新技术，将被公众认为高深莫测的量子物理从云端落地到凡尘，服务社会大众。

　　其实，量子理论是一门非常实用的学科。早在第二次世界大战之前，它的原理就已经被运用于分析金属和半导体的电学和热学性质。战后，晶体管和激光器这两个运用量子理论原理的广为人知的装置，更是极大地推动了信息革命的发展。

　　到本世纪初，我们周围随处可见直接或间接运用量子理论的技术和装置。从常见的CD唱片机到庞大的现代光纤通信系统、从无水涂料到激光制动车闸、从医院的核磁共振成像仪到隧道扫描显微镜……量子技术已经渗透到我们的生活中。

　　量子计算的应用非常广泛，不仅可以解决大规模的计算难题，破解经典密码，进行气象预报、药物设计、金融分析、石油勘探，而且还能揭示新能源新材料、高温超导、量子霍尔效应等复杂的物理机制。

　　不过，量子纠缠“分身术”的特性有一个更为直接的应用，便是量子保密通信。

　　现在被认为最安全的信息传递方式是光纤通讯。光缆能把所有的光能限制在光纤里，外面得不到能量，所以这个传输被认为是安全的。但随着科技发展，只需让光缆泄漏哪怕很少一部分能量，我们就能够窃听光缆传递的信号。

　　这是因为经典通信的信号只有0和1，发生窃听时，这两种信号不会被扰动。比方说，两人打电话时，他人可通过窃听器从通信线路中的上千万个电子中分出一些电子，使其进入另一根线路，从而实现窃听，而通话者无法察觉。“棱镜门”事件便是最好的例证。

　　而量子通信则完全不会出现这个问题，这是因为其密钥具有不可复制性和绝对安全性。一旦有人窃取密钥，整个通信信息就会“自毁”并告知使用者。

　　比如，甲、乙二人要进行安全通信，甲发出的光子信息假设有人窃听，由于光子不可分割，首先窃听者根本无法分割出“半个光子”；其次，因为单次测量测不准、不可克隆的量子态特性，窃听者无法复制信息；第三，一旦窃听者截获光子，乙就收不到信息，也就不存在窃听。

　　诚然，神秘的量子世界令人着迷，亦令人困惑。人们所感受到的量子技术还只是冰山一角，在探寻量子世界奥秘的旅程中，人们仍在孜孜以求。

　　资料链接

　　“墨子号”大事记

　　2009年12月，空间科学先导专项参加战略性先导科技专项实施方案评议会，并在16个建议专项中名列前三名。

　　2011年12月23日，量子科学实验卫星工程启动暨动员会在京召开，标志着量子科学实验卫星正式进入工程研制阶段。

　　2014年12月30日，量子科学实验卫星通过初样转正样阶段评审，正式转入正样研制阶段。

　　2015年12月6日，量子科学实验卫星系统与科学应用系统完成星地光学对接试验，验证了天地一体化实验系统能够满足科学目标的指标要求。

　　2016年2月25日，量子科学实验卫星工程完成大系统联试。

　　2016年8月16日凌晨1时40分，我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空。

　　论·见

　　科学从来属于探险的事业

　　■刘戟锋

　　科学就是这般不可思议，当围绕量子认知和应用的争论不绝于耳时，中国的“墨子号”成功升空，将在世界上首次进行卫星和地面之间的量子通信实验。

　　其实，从量子概念诞生的那天起，争论就已发生。因为在人类近代科学史上，能量如同流水，一直被看做是连续体。只有普朗克独具慧眼，竟然发现了所谓的普朗克常数，原本连续的世界被中断了，接着还催生了测不准关系、波粒二象性等一系列存在于客观世界的全新概念，可以想象这些概念对人类认知的冲击。爱因斯坦因为坚信“上帝不会掷骰子”而与波尔论战终生；围绕微观世界的测量是否有主观介入的问题，直到今天，学界的争论还未平息。但这些争论丝毫也不影响量子世界向人类所展现的无穷科学魅力。近年来，中国科学界的一批科学家坚信量子世界的奇异性，长期致力于量子纠缠、量子通信、量子加密、量子计算的理论与实践探索，取得了世所公认的成果。更有一些生物学家借鉴当年DNA双螺旋结构发现的历史经验，从物理学的角度出发，断言在量子层面有望彻底破解人的自由意志之谜。这类推论是否太耸人听闻？于是有科学家以揭示真相挺身而出，大胆予以批驳，甚至斥之为“不可思议”的现代巫术。

　　围绕一类科学问题，为什么会发生如此南辕北辙的认识？从根本上说，这源自人的抽象与形象思维的二象分裂。抽象思维重在逻辑推导，而对其逻辑结论的理解，往往需要借助形象思维。但人的形象思维难免局限于人自身的物理尺度，当形象思维把握不了抽象思维的科学结论时，“不可想象”“不可思议”等种种诘难便蜂拥而至。当年哥白尼的日心说遭到围剿，原因固然有宗教的成见，但也不排除它违背了人的形象直观；非欧几何大厦建立时，有几个人能够理解那是对客观世界更精准的描述？达尔文的进化论将人类祖先追溯到猴子，不也在当时先进的欧洲世界引起了轩然大波吗？这就可以理解爱因斯坦为什么当年要用男女之情解释他的相对论，而波尔则选用中国的太极图表明他的学术主张。钱学森晚年大力倡导科学家要提高形象思维能力，确实不无道理。

　　具体到量子纠缠问题的争议，批评者使用了“鬼魅隔空作用”的概念，不禁让人想起上世纪曾经热闹非凡的人体特异功能。但“隔空”也是形象的理解和说法而已。试想远古人类看到异性相吸的电磁现象，那不也是“隔空作用”吗？既然我们今天知道一无所有之“空”并不存在，何以凭一“隔空”即将量子纠缠贴上“鬼魅”的标签？

　　特别值得一提的是，批评者指责国家在量子探索与应用领域投入大量资金，担心这些资金最后得不偿失。这类担心或许不无道理，但也需明白，科学从来就是属于探险的事业，而不同于在超市购买小菜，投入必然产出。从某种程度上说，科学就是“玩”出来的。如果没有大量资金投入，就不会有世界上著名的卡文迪许实验室，何况那还是“玩”的私人企业主的资金。中国漫长文明史的一大缺陷，就是追求实用，而对为科学而科学的纯粹心智探险热情明显不足，结果使我们几无“不可思议”的科学建树。可以说，只要资金没有用于非科学工作，有一定风险也无可厚非。敢于冒险才会有创造，我们今天这类科学家不是太多，而是太少。

　　退一步讲，即使量子领域的探索一时难见成效，那又怎样？人类科学的历史从来就是由“不能”转向“能”的历史。围绕狭义相对论中质能关系式所揭示的原子层面所蕴含的巨大能量，卢瑟福不是多次断言人工释放不过是天方夜谭吗？但这位原子科学巨人的判断丝毫也没能阻止巨大的蘑菇烟云在20世纪中叶腾空升起。

　　2016年初，在世界基础科学研究的宏伟殿堂里，响起了为引力波探测而欢呼的热烈掌声。这项探测成果竟然源自40年前韦斯的一项广义相对论课程的课堂练习！40年的漫长时光，足以将一个热血青年毫无悬念地变成白发老人，从而也将一个人的美好青春消耗殆尽，而麻省理工的气量就在于，它竟然能容忍韦斯年复一年地从事这项在爱因斯坦看来也毫无指望的探测工作。试想，如果校方一心盯着世界名校排行榜，将教授们看作论文生产机器，三天两头要求统计韦斯的论文著作数量，甚至以黄牌相威胁，还会有今天这样的“一夜成名天下知”吗？

　　（作者为国防科技大学教授）