8月16日1時(shí)40分，我國(guó)在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長(zhǎng)征二號(hào)丁運(yùn)載火箭成功發(fā)射世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”。“墨子號(hào)”在未來兩年的在軌運(yùn)行里，將會(huì)配合五個(gè)地面臺(tái)站，首次在太空與地面之間開展遠(yuǎn)距離量子通信的實(shí)驗(yàn)研究，為建立一個(gè)極其安全的覆蓋全球的通信網(wǎng)絡(luò)奠定基礎(chǔ)，同時(shí)將開展對(duì)量子力學(xué)基本問題的空間尺度實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，加深人類對(duì)量子力學(xué)自身的理解。

　　量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”發(fā)射成功

　　取名“墨子號(hào)”正是對(duì)這顆“世界首發(fā)”衛(wèi)星的最好定義?！澳邮悄壳皳?jù)文獻(xiàn)記載第一個(gè)通過科學(xué)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證光線沿直線傳播的科學(xué)家。從某種意義上，他也是第一個(gè)提出牛頓第一定律的人。”量子衛(wèi)星首席科學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉說。

　　同時(shí)，對(duì)于量子通信的質(zhì)疑也紛至沓來。潘建偉說，他歡迎基于科學(xué)實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)肅的質(zhì)疑。同時(shí)他表示，盡管目前中國(guó)量子通信已走在世界前列，但在量子計(jì)算、量子模擬和量子精密測(cè)量等量子技術(shù)上還有很長(zhǎng)的路要走，“面對(duì)量子技術(shù)上激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，我們還需要非常艱苦的努力。”

　　訪談嘉賓潘建偉：量子衛(wèi)星首席科學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授

　　潘建偉院士

　　研制過程：每一次困難都讓人近乎絕望

　　潘建偉在接受《自然》專訪時(shí)表示，量子衛(wèi)星的首要任務(wù)是在衛(wèi)星和北京地面站、衛(wèi)星和維也納地面站之間建立量子密鑰分發(fā)。衛(wèi)星將量子密鑰分發(fā)到兩個(gè)站點(diǎn)，通過比對(duì)最終建立絕對(duì)安全的量子密鑰。擁有相同量子密鑰的兩個(gè)站可以把使用量子密鑰加密的信息通過互聯(lián)網(wǎng)、無線電話等經(jīng)典通信方式傳遞而不用擔(dān)心信息的泄露，這種通過量子衛(wèi)星發(fā)射的密鑰可以做到一次一密。從衛(wèi)星研制到發(fā)射的四年多時(shí)間里，潘建偉團(tuán)隊(duì)遇到無數(shù)困難，每個(gè)困難都是一個(gè)坎，都有可能導(dǎo)致衛(wèi)星發(fā)射失敗。

　　鳳凰資訊：量子通信的基本原理是什么？

　　潘建偉：量子通信的基本原理有兩條：一是量子信息的傳播媒介單光子不可分割，二是未知的光子狀態(tài)是不可復(fù)制的。首先，我們的物質(zhì)世界由很多基本元素顆粒組成。當(dāng)太陽光照過來時(shí)，這束光是由一顆顆小顆粒組成，這種小顆粒就叫光子。光子是光的最小組成單元，具有不可分割性。第二，光子在真空中傳播時(shí)有一種特性——偏振。它會(huì)沿著水平方向和垂直方向振動(dòng)。這兩種光子的振動(dòng)狀態(tài)分別用0和1表示，假設(shè)用0表示水平振動(dòng)，用1表示豎直振動(dòng)。根據(jù)量子力學(xué)的原理，在尚未被觀察時(shí)，光子的狀態(tài)處于0和1的疊加態(tài)，并不知道是0或是1。如果你嘗試去觀察它，就會(huì)對(duì)它有干擾，光子狀態(tài)會(huì)被破壞，所以這種振動(dòng)態(tài)是無法被精確復(fù)制的。

　　鳳凰資訊：發(fā)射量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的目的是什么？

　　潘建偉：發(fā)射量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星主要有三方面的目的，第一目的是做衛(wèi)星和地面之間的量子通信；第二是能夠通過衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的糾纏光子分發(fā)，測(cè)試量子糾纏現(xiàn)象，并在遠(yuǎn)距離地點(diǎn)之間對(duì)量子力學(xué)預(yù)言的非定域性進(jìn)行檢驗(yàn)。量子糾纏是量子世界中的一個(gè)典型現(xiàn)象，即一對(duì)處于量子糾纏態(tài)的粒子，即使相隔極遠(yuǎn)，當(dāng)其中一個(gè)狀態(tài)改變時(shí)，另一個(gè)狀態(tài)也會(huì)即刻發(fā)生相應(yīng)改變，這是量子非定域性的一種表現(xiàn)；第三個(gè)目的是做量子信息的遠(yuǎn)距離傳送，學(xué)術(shù)的語言叫做量子隱形傳態(tài)。之所以要做衛(wèi)星和地面之間的量子通信的原因是，盡管我們現(xiàn)在用光纖上網(wǎng)，但量子通信的信號(hào)在光纖里傳輸一百公里之后，99%的信號(hào)都損耗掉了，那么如果想做一千公里的量子通信，哪怕是把目前全世界所有頂尖技術(shù)都用上，每三百年也才能傳送一個(gè)信號(hào)，量子通信就沒價(jià)值了。但是上天之后，通過量子衛(wèi)星則可以傳播幾百K的密鑰，大大提高量子保密通信的密鑰分發(fā)數(shù)量。

　　鳳凰資訊：在發(fā)射量子衛(wèi)星之前，做了哪些前期工作？

　　潘建偉：量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星走到今天，其實(shí)是一個(gè)非常有趣的故事。其實(shí)第一個(gè)量子密鑰分發(fā)的實(shí)驗(yàn)就是在自由空間上實(shí)現(xiàn)的，那時(shí)大概做了32厘米。九十年代，有美國(guó)的科學(xué)家又把量子密鑰分發(fā)做到了100米、200米。但是在自由空間進(jìn)行量子通信面臨的問題是地面上有很多障礙物，光線會(huì)遇到阻擋，一旦被阻擋，不就傳輸不了了嗎？所以后來大家就把主要精力放在了在光纖里進(jìn)行量子通信上。

　　2000年，大家在光纖里的演示能夠做到幾十公里，距離一長(zhǎng)就出現(xiàn)損耗，再做一百公里距離的量子通信就做不了了。這時(shí)，大家開始思考如何實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的量子通信。2002左右，國(guó)內(nèi)的學(xué)者以及一些國(guó)外的學(xué)者就開始做一些實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)遠(yuǎn)距離量子通信的可能性。2004年，我們通過實(shí)驗(yàn)證明光子在穿破大氣層之后能很好地存活。2005年我們發(fā)表了論文，2006年就向中國(guó)科學(xué)院提出來我們要做量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星。2007年科學(xué)院給了一筆經(jīng)費(fèi)在地面上進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和相關(guān)研究，我們和中科院上海技術(shù)物理研究所、中科院上海微小衛(wèi)星工程中心和中科院光電技術(shù)研究所合作進(jìn)行地面研究。經(jīng)過幾年的研究之后，團(tuán)隊(duì)通過很多實(shí)驗(yàn)證明上天的可行性，于是到2011年底，中科院正式立項(xiàng)支持量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的項(xiàng)目。2016年6月，將近4年半時(shí)間我們把衛(wèi)星研制出來了。

　　鳳凰資訊：衛(wèi)星研制到發(fā)射的過程中遇到了哪些技術(shù)難題？

　　潘建偉：中間遇到太多絕望的事，經(jīng)歷了無數(shù)艱辛和坎坷最后才能發(fā)射成功的。例如在信號(hào)上天的方式上，我們有很多種設(shè)計(jì)，一種是天上往地面發(fā)，一種是地面往天上發(fā)，還有一種是從地面往天上發(fā)，在衛(wèi)星上做一個(gè)反射鏡，把狀態(tài)改變一下再發(fā)回地面。最后我們證明，還是從天上往地面發(fā)是最最方便的，但中間要進(jìn)行很多次復(fù)雜的計(jì)算和論證。

　　還有探測(cè)器放到天上后，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過宇宙射線的轟炸，一個(gè)星期就死掉了。但我們需要機(jī)器能夠工作兩年，那就需要解決如何讓探測(cè)器的壽命提高到能夠工作一至兩年的水平。

　　另外，量子通信在光學(xué)方面要求是非常高的，衛(wèi)星快速飛行的同時(shí)必須保證地面的光學(xué)天線能夠緊跟衛(wèi)星的節(jié)奏，才能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的準(zhǔn)確接收。比如在一萬米高空的飛機(jī)上，看到地上有一個(gè)儲(chǔ)蓄罐，現(xiàn)在從飛機(jī)上投硬幣，必須保證每個(gè)硬幣都能夠扔到儲(chǔ)蓄罐中，這個(gè)技術(shù)發(fā)展是非常困難的。其次衛(wèi)星發(fā)射的光信號(hào)非常微弱，我們必須解決微弱光線的接受問題。