?王建宇：量子與航天之路上的種種難關(guān) | 量子年夜飯（四）
演講 | 王建宇（中國科學(xué)院上海分院副院長）
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非常高興今天有這個機會和我們潘院士、年輕的同事們一起參加這個活動，我和潘老師十年磨一劍，我們是2007年相識，就是為量子相識，今天也是為量子走到一起。我們這個實驗室叫中科院空間主動光電重點實驗室。
回顧歷史
剛剛潘院士已經(jīng)講了很多量子，我們再回顧一下。
量子的歷史
1900年普朗克提出量子論
1905年愛因斯坦提出狹義相對論
1915年愛因斯坦提出廣義相對論
1917年愛因斯坦提出了光的受激輻射理論
現(xiàn)在有意思來了，愛因斯坦說過，他是對量子論持懷疑態(tài)度的，我們這顆量子衛(wèi)星則是要證實量子力學(xué)的正確性，（而且證明的方式）用了老先生提出來的激光理論，用激光去證實它。
所以辯證法或者唯物主義來說，什么事都是實事求是，自己提出的東西也可以打自己。
因為今天我的題目是量子、激光和航天工程，我們來回顧一下歷史。
衛(wèi)星的歷史
當(dāng)時蘇聯(lián)是為了爭第一，搶美國人的風(fēng)頭
美國人也很努力，但可惜失敗墜落
中國人跟得還是比較緊的
激光與空間
激光器的歷史
回過來看，1960年美國人根據(jù)愛因斯坦理論造出了第一臺激光器，我們中國人也不賴，1961年馬上就造出來了，中國的第一個激光器，這個激光和傳統(tǒng)的光源前面已經(jīng)說了，因為它是受激的光源，它有很多特點。
一個單色性非常好，什么波長就是什么波長；第二個就是指哪打哪，我們現(xiàn)在一千公里，上面指下來打到哪里；和太陽光相比，它的波長比太陽要高10的10次方倍。
很快科學(xué)家把這兩個特點聯(lián)想到一起，激光這么好的東西我如果在天上用會怎么樣？
美國人很多還是先驅(qū)者，在阿波羅登月的時候，那時候激光也有了，登月阿波羅工程還是一個偉大的工程，但是他要把這個做到天上去還是有困難的，所以他們就在天上埋了一個東西，我們叫激光反射器，地面激光打上去，照亮這個反射器，反射回來探測這個距離。1994年的時候，美國人第一次把激光裝到克萊門汀的小衛(wèi)星上面，拿它去探測月球。
在這之后，不斷有新的成果涌現(xiàn)，我也非常高興。我們中國2007年第一顆帶激光的衛(wèi)星上天，這顆衛(wèi)星就是嫦娥一號，上面有一個激光高度計，這是我們團隊做的。
?1961年8月，中國第一臺激光器——"小球照明紅寶石"激光器，在中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械研究所誕生了。
這個是我們2007年做的一個工作，把我們中國第一臺激光高度計送上天了，畫出了月亮的三維圖形，當(dāng)時還比較自豪地說，原來美國人做這個是個斜軌道的，所以他（月球）兩邊測不到，我們號稱是全世界第一次測到了月球兩截的一個東西。
?2007年，嫦娥1號搭載激光測高儀，進行月面地形測繪。該載荷由上海技物所研制。成功完成1年繞月，獲取912萬高程數(shù)據(jù)點，繪制3km格網(wǎng)月表DEM模型，填補國際月球兩極地形空白。
這里還有一個比較，這個是原來美國克萊門汀上去的一個圖，我們也做了一個比它的清楚。但是很郁悶，2009年美國人又打了一個，實事求是說，他畫的圖比我們的清楚多了，所以一下又被人趕上了。
?2009年，NASA發(fā)射月球測繪衛(wèi)星，首次采用多波束方案進行激光測繪。
激光有數(shù)不清的應(yīng)用
實際上激光測距的技術(shù)可以做很多事情。
氣象
比如這個是美國人做的一個（衛(wèi)星），他就可以測量各個地方冰的變化，它測出來03年到08年，北極的海冰的厚度在逐步變小，就是溫室效應(yīng)。
全球地理
美國人也非常牛，他有一個LIST計劃，我們現(xiàn)在看到的地形的測繪都是用相機相對測量完成的，這個存儲過程比較復(fù)雜。如果我們可以用激光直接測量，所以美國人在2025年要發(fā)一顆衛(wèi)星，全球5米的分辨率，就是每個5米就有一個激光點，所以可以把全球的三維測得非常清楚。
當(dāng)然我們也在做這個工作，但是我非常遺憾地說，和它還是有差距的。
空氣污染
激光還能測很多東西，還可以測大氣，現(xiàn)在霧霾比較嚴(yán)重，國際上也是有很多人用激光來測霧霾。怎么測呢？道理說穿了也不難，激光發(fā)出后就是一顆顆光子，光子和霧霾的小顆粒發(fā)生作用，光學(xué)里叫散射，而且不同的物體對不同波長的光子的散射直徑吸收都不一樣，我可以利用這些數(shù)據(jù)來測量環(huán)境的變化。
?2007年，上海技物所研制的激光測高儀隨嫦娥一號月球衛(wèi)星發(fā)射升空。
大家知道前兩天公布的我們國家發(fā)的第一顆碳衛(wèi)星，探測二氧化碳分布的，當(dāng)然這顆衛(wèi)星不是用激光，是用高光譜探測，但是國際上已經(jīng)發(fā)了激光探測衛(wèi)星，我們國家也在準(zhǔn)備。
所以用激光可以測，我們叫氣溶膠或者云探測，國際上面1994年就開始做了。這個叫CALIPSO，是美國發(fā)的第一顆測微粒的衛(wèi)星，那么它測出什么東西呢？
2007年5月份，它測到了沙塵從中國西北地區(qū)進入北京，接著又測到了從撒哈拉沙漠到北美大陸的沙塵暴，所以說之前（沙塵暴會遷移）的推測是對的。
北京曾經(jīng)有很多沙塵暴，前兩天上海天也不好了，說不定就是北京前一段霧霾漂過來了，衛(wèi)星確實測出了這個現(xiàn)象。
物質(zhì)探測
激光還有一個很大的用處，現(xiàn)在我們要看宇宙，要看火星、看木星甚至更遠，中國人現(xiàn)在總算看到月亮了，現(xiàn)在計劃也要去看火星了。不像地球上，我拍了照片以后可以測量一下這個是什么東西？有可能多少年以后人把火星（上的物質(zhì)）帶回來，但是現(xiàn)在還是不行。所以要知道火星上面到底什么物質(zhì)，激光有用。
它有一個原理叫激光誘導(dǎo)擊穿光譜，是什么呢？激光足夠強，打到一個物質(zhì)上，就可以把物質(zhì)氣化，產(chǎn)生等離子體，不同的物質(zhì)會發(fā)不同的等離子光，測量這個光譜就知道都是哪些物質(zhì)了，這是個很重要的技術(shù)，深空探測非常有用。
美國人在11年做了一個，做得蠻成功的，所以18年準(zhǔn)備再做一個，在火星探測時使用。美國人做了，歐洲緊緊跟上，歐洲人也在做。
這個是美國好奇號，當(dāng)時探測的一個結(jié)果，它測出了著陸的地方有這么多化學(xué)元素。美國人2020年要發(fā)第二代，探測火星，中國也有這個計劃，在2020年的時候，中國也要降落火星，我們的實驗室非常榮幸，也要做這么一臺東西在2020年發(fā)射到火星上去。
?中國計劃2020年向火星發(fā)射著陸探測器，搭載LIBS系統(tǒng)。
激光通信
激光還有一個非常實用的方面，我們做量子通信以后，人家說你們這個和激光通信到底什么關(guān)系？
確實有點相像，但是本質(zhì)上完全不同，因為光是這么來的，我們最早用無線電，把信號載在無線電里，到收音機里把這個截出來，歌曲、講話都能浮現(xiàn)出來。后來發(fā)明了電視，又把圖像載到電視里面去了，那么這里有個什么區(qū)別呢？
最早的中國無線電它載波的波長很長，應(yīng)該說是頻率很低，波長很長，所以它能載的信息比較少，要用圖像看電視這個頻率就比較高了，所以你能調(diào)制進去的信號就多了。
所以像現(xiàn)在我們衛(wèi)星向地面發(fā)信息一般都是用微波，可以達到每秒鐘幾百兆這個量級?，F(xiàn)在衛(wèi)星越做越復(fù)雜，信息越來越多怎么辦呢？他們說光可以，光的頻率比微波又要高好幾個數(shù)量級。
所以現(xiàn)在用激光來載信息，這個是最先進的通信模式，當(dāng)時科學(xué)家做了很多嘗試，日本人是第一個做成的，九幾年就有一個實驗，有個衛(wèi)星和地面通信一下，歐洲也做，目前來看歐洲人對這個比較癡迷，德國人08年做了一個實驗，大概每秒鐘可以載5.6G的，家里網(wǎng)絡(luò)的帶寬200M就已經(jīng)很快了，它每秒鐘是5.6個G，就相當(dāng)于又高了好多倍。
日本人在這個問題上它是做得比較早的，但是最近一段時間停下來了。美國人也做這個，美國人后來居上，在2000年的時候做了一個激光，但是失敗了，失敗的原因是什么呢？天和地沒對上，這個我后來會聯(lián)系到我們量子衛(wèi)星，其實這個對準(zhǔn)是很難的，就是美國人他也有對不上的時候，他失敗了，不過馬上13年他把這個東西做到月球去了，從月球傳了信息過來，從月地達到600多兆的數(shù)列，這個就是我們國際上也是第一個從其他星球用光把信息載回地球來。
優(yōu)點
·通信頻帶寬、信息容量大
·光學(xué)增益大、激光束散角小
·抗干擾、保密性強
·體積小、質(zhì)量輕、功耗低
缺點
·易受大氣傳輸影響
·需要高精度、復(fù)雜的捕獲跟蹤與瞄準(zhǔn)系統(tǒng)
·鏈路組網(wǎng)和廣播通信困難，適合點對點通信
2001年的時候，我們在海洋2號上面，我們國家搭載了一個演示的裝置，達到了500M的頻率，我們這兩顆量子星和載人航天里面都搭了類型的東西，在921里面我們現(xiàn)在是1.6個G，在量子星里面是5.12個G，當(dāng)然現(xiàn)在還在實驗當(dāng)中，雖然沒有正式公布成功，但是我是充滿信心肯定會成功。
?量子星-量子密鑰通信機（搭載1550nm相干通信）
這個就是介紹的激光和空間的合作，前面我的感覺激光和空間上非常有用，有很多地方能用；第二我們中國人也不賴，每次都能緊緊跟上，但是大家可以發(fā)現(xiàn)有一件非常郁悶的事情，所有的東西都是我們緊緊跟上，哪怕有時候你超越人家一點，過兩天又被人家趕上了。
下面我要說說我們量子衛(wèi)星，應(yīng)該說這件事情我們是領(lǐng)跑者。這里我覺得很重要的一點，中國某種意義上，技術(shù)上是可以努力達到的，關(guān)鍵是思想，如果不提出思想，再好的技術(shù)沒用。
激光與量子衛(wèi)星
所以我下面來說我們這個量子衛(wèi)星，剛剛潘院士講了原理，我們彭總也講了很多了，所以我們上去就是要做三件事，密鑰分發(fā)、糾纏分發(fā)和隱形傳態(tài)。這個剛剛也講過了，我就不再說了，地面上一共有五個地面站。
量子衛(wèi)星依賴激光
我這里要說的是什么呢？為什么我說量子、激光和航天技術(shù)，其實這三者是緊密相連的，我們這顆衛(wèi)星和其它衛(wèi)星相比最大的區(qū)別在哪里呢？
比如說剛剛發(fā)射的碳衛(wèi)星，它的原理是相對簡單的，衛(wèi)星用光學(xué)設(shè)備被動探測地面二氧化碳分布的情況，把信息收上去以后通過數(shù)傳的通道把圖像全部發(fā)下來，科學(xué)家進行分析就可以了。
量子星就復(fù)雜的多，除了傳統(tǒng)技術(shù)以外，我們還有光的聯(lián)絡(luò)。第一個剛剛彭總說的，量子星是很亮的，從天上打下一個光。這就相當(dāng)于兩個人拿手電筒互相照，天上有信標(biāo)光下來，地面讓天上要看到地面站，地面有信標(biāo)光上去，然后我在這里面，一個個光子是靠時間同步把它挑出來，有上下的時間同步光，
我還要做量子通信，我用天上發(fā)下來的量子光，還有地面打上去的，做隱形傳態(tài)，地面要把一個個光子送上去，后來領(lǐng)導(dǎo)又要說，把激光通信載在里面，激光通信又要從上面把激光打下來，下面要把激光送上去，所以我們前前后后七八條光的聯(lián)絡(luò)，這個是其他衛(wèi)星沒有的，同時你看所有這些光的聯(lián)絡(luò)都由什么東西構(gòu)成的呢？全部是用激光。
任務(wù)艱巨
大家可能問，你說量子衛(wèi)星很難，難在什么地方？
簡單地講幾件事情，第一個，衛(wèi)星（從地面站上方經(jīng)過）要抓得住（衛(wèi)星打下來的光）。我不僅要找得到，而且要跟得牢，而且光（從衛(wèi)星）打下來要打得準(zhǔn)，怎么做呢？
衛(wèi)星從地面發(fā)射后，因為衛(wèi)星是繞著地球轉(zhuǎn)的，它出來以后到5度的時候，地面站就要尋找衛(wèi)星。量子衛(wèi)星做糾纏分發(fā)，第一個要求就是衛(wèi)星一出地平線，大于1000公里的時候找到兩個地面站，衛(wèi)星在天上飛行的速度是每秒7點幾公里，將近8公里，在這么快的速度地面站也要跟住衛(wèi)星。
抓得住
我簡單介紹一下這個過程，衛(wèi)星出地平線后，我借用（天文臺的）望遠鏡守株待兔。國家為什么要建這么多天文臺？天文臺看東西的技術(shù)還是很好的，想看什么地方它給你指什么地方，衛(wèi)星軌道運行以后是有預(yù)報的，這個預(yù)報精度也很高，它可以告訴你某一刻在什么地方，大概精度是幾百米。
天文臺的望遠鏡在衛(wèi)星出來后就從地面就照一束光上去，這個就是地面的信標(biāo)光，紅顏色的，照到衛(wèi)星上，衛(wèi)星一看到這個光，知道了，下面在打招呼了，它就趕緊向下發(fā)一個綠顏色的光，這兩個一對眼，他們都看到了，然后衛(wèi)星跑一點，光就跟一點，死死跟住衛(wèi)星，就這么一條軌跡，最后我們就可以做通信了，這個就是抓的過程。
跟得牢
第二個，只抓住光還不夠，量子光是一個個光子，和激光不是一個光族的，是不同地方發(fā)出來的，所以我要把它對繞。
舉個例子，這個相當(dāng)于是星上發(fā)下來的量子光的分布，紅色是地面站，如果我不放在中間的話它的信號就小很多，所以我要跟繞衛(wèi)星，而且把量子光打得準(zhǔn)，我們通過自主設(shè)計的一套系統(tǒng)復(fù)合軸跟蹤，怎么操作呢？
先把大的找到，我們有一個粗跟蹤相機，再把它細分，先把這個光引到大的里面，再從大的里面引到更精細的，最后達到秒量級的精度，才有我們整個一路跟過去的結(jié)果。
打得準(zhǔn)
我們完成以后還是比較自豪的，第一我們抓得住，抓得很快，光出來一秒鐘我就把它抓住了，也時候光被云遮住了，再抓，零點幾秒就能抓住了，第二個我盯得牢不牢？
大家可以看一下數(shù)據(jù)。國際上一般是歐洲人做這個，大概最后能抓到是1.5個微弧度，我們現(xiàn)在修整以后同樣也能做到1.5個微弧度的，構(gòu)造大概的精度是一樣的，但是我們的比他難，難在什么地方呢？第一個我們是一拖二，我們一個要打兩個。第二個，他們做的這些實驗都是在星間做的，沒有大氣，我們是要透過大氣層，光透過了大氣層以后會抖動的，所以在這個基礎(chǔ)上，我們現(xiàn)在至少是國際最前沿的水平。
偏振態(tài)保持
大家知道，一個手電筒，你把它的光調(diào)的很細了，就可以看得很遠，現(xiàn)在我們要（把光）調(diào)到理論上接近極限。
還有一個很難的事情，就是剛剛說的做通信、計算機會有0101，我們（量子力學(xué)）的0101是指光的偏振狀態(tài)。
大家知道光有一個特性，它會不停的振動，我們可以利用它的這個性質(zhì)。比如有一種立體電視，它就是利用這兩種不同振動的方向，一個眼睛接收水平的，一個眼睛接收垂直的，合成出來就變成一個三維的。我們在這里面也利用了偏振的特征，就是根據(jù)不同的偏振方向確定不同的量子狀態(tài)。
但是偏振也給我們帶來很多麻煩，它經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)以后它會變，比如一個垂直振動，一個水平振動，經(jīng)過某一個鏡片后，它變到45度振動了，你搞不清楚它原來到底是水平的還是垂直的，這樣我們就沒法做實驗了。
所以我們要想辦法，要么讓它保持狀態(tài)不能變化，或者我能測出來它變了多少，大家一起變，這就是我們要做的偏振態(tài)保持。
測量這兩個的時候，還有基矢，一個水平偏振一個垂直偏振，你發(fā)的時候，我有一個坐標(biāo)是這么放的，如果地面這個坐標(biāo)現(xiàn)在和你不一樣，兩個都對不上，但是恰恰衛(wèi)星在繞地球轉(zhuǎn)的時候，衛(wèi)星上的基矢是團團轉(zhuǎn)的，所以我們要把它找回來。
所以我們做了很復(fù)雜的一套系統(tǒng)，在基矢往這個方向轉(zhuǎn)的時候，想辦法把它轉(zhuǎn)回來，或者測量下來，在地面上把它轉(zhuǎn)回來，讓兩個基矢死死地咬住，我們專門做了很多實驗，到飛機上、在地面上，驗證了我們這個方法是正確可行的。
單光子探測
還有一個難點就是探測單個的光子，我印象中，潘院士第一次見我們的時候，他就說：“王院長，這個還是很難的。”
我們要從一千公里的高度把一個個光子發(fā)到地面上，當(dāng)時確實是很困難。現(xiàn)在有單光子探測器，一個光子過來會出一個脈沖，我們用這個辦法可以探測到一個個光子，但是這個光子確實是有點遠，目前是從上千公里外發(fā)出來的，我們難在什么呢？就是我們想了很多辦法，我們上面一個望遠鏡收到的不單單是這個光子，還有很多其他的光，比如衛(wèi)星發(fā)出的信標(biāo)光，這個信標(biāo)光是為了方便跟蹤的，所以越亮越好，越亮跟的越牢，但這就和探測矛盾了。
量子光是一個一個光子，這就相當(dāng)于從大海里面找出一滴水，非常的難。光學(xué)上可以用頻率的綠波，用空間把光的顏色分開，不同頻率的光走不同的地方，然后我把光遮掉，還有一個技術(shù)就是用時間濾波，我知道這個光大概什么時候發(fā)出的，上面的同步光打下來，我就把這一段時間的挑出來。
這個紅的就是我發(fā)出來的量子光，綠的就是她暗計數(shù)，但是如果計數(shù)里有一個綠的進里面了，那就增加一個噪聲了。因為這些技術(shù)太專業(yè)，如果形象一點表達，我們相當(dāng)于什么呢？相當(dāng)于對準(zhǔn)技術(shù)，相當(dāng)于我在萬米高空的飛機上向地下扔一個硬幣，這一個硬幣相當(dāng)于一個光子，飛機飛行的速度模擬衛(wèi)星飛行速度，當(dāng)然衛(wèi)星是沒辦法那么快，但是因為飛機低，所以角速度是差不多的。
?從萬米高空高速飛行的飛機上同時向地面兩個旋轉(zhuǎn)的儲蓄罐細長的投幣口扔一個個硬幣。
這個硬幣下來以后，我在地面隨便放一個儲蓄罐，要從一萬米高空把硬幣投進這個儲蓄罐。
儲蓄罐的投幣口一般都是細長的，這個相當(dāng)于是偏振，它是有方向的，一定要把控好，所以我這個硬幣不但要打中它，而且要把它方向?qū)貌拍苋舆M去，而且扔的時候要像做糾纏實驗，一扔不是扔一個，要兩邊都扔準(zhǔn)才行。
第二個，我們探測一個個下來的光子，探測器的靈敏度相當(dāng)于呢？我們做了一個計算，一根火柴劃一下大概有10的17次方的光子，我們的探測能力相當(dāng)于在地球上要發(fā)現(xiàn)在月亮上有人劃了一個火柴，我們要把它探出來。
我們還要在每秒一億個光子里面，搞明白我們探測到的是第幾個光子，這些光子都是排好隊的，我抓一個，要知道它是第幾個光子，這樣我才能用來做密鑰，這是非常簡單的一個小節(jié)。這個是我們量子星發(fā)射前的留影，這個就是把它裝在火箭的頭上出發(fā)了，謝謝大家！
