彭承志：墨子衛(wèi)星的那些事兒 | 量子年夜飯（三）
前言：
從100年前的“第五屆的索爾維會議”起，量子力學就吸引著眾多科學家去探索求真，今天，它仍然在改變著這個世界。量子到底能做什么、與我們有何關(guān)聯(lián)？且聽彭承志的“量子技術(shù)漫談”。
演講 | 彭承志（中國科學技術(shù)大學研究員）
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謝謝主持人，我今天的題目是量子技術(shù)漫談，我們從哪開始呢？我也還是從100年前的一次很重要的一個會，這個會當時叫做第五屆的索爾維會議，這個會議號稱當時是聚集了全世界三分之一最聰明的頭腦，這里我們看一下，總共有29個人開會，大概是有17名諾貝爾獎，而且里面是愛因斯坦、洛倫茲、居里夫人、普朗克，全部都是如雷貫耳的名字。
這個會議上討論的主題是什么呢？
量子力學。
它是我們整個百年來科技發(fā)展的最大的支柱，毫不夸張地說改變了我們整個世界，從改變這個世界的深度和遠度來講，一點都不遜色于1927年開的會，不遜色于這之前的第一次世界大戰(zhàn)，更不會遜色于之后的第二次世界大戰(zhàn)，因為到現(xiàn)在它還在改變著我們的世界。
但是我這里不是想講量子力學有多偉大，我今天想講的是什么呢？因為在座的男生比較多，我們又在上海，量子力學干了很多活，包括半導體、計算機、激光互聯(lián)網(wǎng)、原子核、核能。但是從量子力學誕生的第一天起，它就不像之前所講的一些理論。
比如說牛頓力學出來以后，牛頓老先生是馬上就被聘為英國的鑄幣局的局長，從此以后名利雙收，牛頓老先生在那之后讓全世界都認為，牛頓力學出來以后證明了上帝的存在，所以牛頓力學那個時候絕對是一統(tǒng)江湖，在人類的整個思想界一統(tǒng)江湖。
但是量子力學不一樣，量子力學改變了如此多，對世界產(chǎn)生如此深遠的（影響），但是從量子力學誕生的第一天起，它的締造者之一愛因斯坦，我們的老先生就開始在那反對（量子力學），他說量子力學至少不是全部正確的。
即便到現(xiàn)在，100年過去了，我們現(xiàn)在基本上科學就開始這么說，雖然微觀世界描述的規(guī)律和我們宏觀世界很多的感覺不一樣，但我們相信量子力學是對的，但是到現(xiàn)在，包括我們自己，我們有一個大教授諾·貝爾獎的獲得者，以前（我們）都是看他的書長大的，看他的書學過來的，他退休以后也開始講，也許是有一個更新的理論能夠證實，更新的理論就像相對論替代牛頓力學一樣，有一個更新、更全的理論可以替代量子力學。
所以你看量子力學最大的特點是什么？它干了很多活，一直被證明是正確的，但是一直不停地有人質(zhì)疑它，到了愛因斯坦、溫伯格這種，我們是覺得這個是科學永遠的自我懷疑的一種精神。
但是要知道在我博士畢業(yè)的時候，我發(fā)了第一篇跟量子力學實驗有關(guān)的文章以后就開始收到信，跟我要探討量子力學的正確性，當時我一看很緊張，這要探討量子力學的正確性，馬上我就發(fā)給潘老師了，潘老師后來把我臭罵一頓，這種信你給我干嗎？難道你讓我跟他討論一下量子力學嗎？
確實是這樣，量子力學從它的誕生到現(xiàn)在，你會發(fā)現(xiàn)跟我們上海男人的地位很相似，在這里我介紹一下我們兩個上海的男人，準上海，我們算是娶到上海的男人。一個是我，我現(xiàn)在是量子衛(wèi)星的科學應用系統(tǒng)總師，還有一個是剛才在臺上的陳宇翱教授。
我覺得我們干的活也挺多的，我們在外面也是彭總、陳總，量子衛(wèi)星也成功上天了，京滬干線在地上連的也很好，在家里我們表現(xiàn)得也不錯的，老婆一說要洗菜我馬上就倒水，老婆說要拖地我就打電話叫鐘點工，雖然我們自己不會拖。
但是在這里地位還是跟低，我一直搞不清楚，難道這個科技宅男，我經(jīng)常說我們是科技宅男，當然我們的愛因斯坦是科技宅男的先輩，前面有更多的科技宅男的前輩。為什么我們科技宅男的宿命就跟量子力學一樣？有一天我去請教我太太，為什么我在家里的地位總是這么地低？比陳宇翱還低，（因為）我家里比陳宇翱多一個小孩，所以我在家里的地位比陳宇翱還低，為什么是這樣子的？
她就跟我講了，她說你看讓你倒個水你灑地上，讓你洗個菜你洗不干凈，讓你拖地你只會叫鐘點工，萬一鐘點工不來這個地就拖不了了。就你這樣，你量子力學那些東西講的是很炫，衛(wèi)星看上去是很厲害，但是我不懂，我不知道你具體在干什么，所以我就只能覺得，你這個連家務都干不好的人都能把衛(wèi)星干好，那肯定是因為那些事情太容易了，當時我就明白了一點——關(guān)鍵我得給我老婆講明白，我到底在干什么。
所以很高興今天有墨子沙龍這個平臺，我的報告題目叫做量子技術(shù)漫談。大家很好奇，我到底在做什么工作，我在實驗室到底做的是什么東西？我想來（和大家）講一講這個。我們從哪里開始呢？讓我們從光開始，為什么呢？因為上帝說要先有光。當然不是這樣，因為我們是在墨子沙龍，我們不討論上帝。
為什么從光開始呢？
因為光這個東西太普通了，小孩子一睜開眼睛就能看到光，就對光有反應，人在地球上接受到的信息中，80%是由眼睛，也就是光傳進來的，整個地球能夠存在是由于太陽，太陽的能量是怎么過來的？全部都是光傳送過來的。我們在這個世界上能夠看到最老的物體是什么？不是這個地球，這個地球只有40幾億年，你要去找40幾億年的巖石，要把地打下去一個很深的洞你才能看到。抬頭看天，雖然你的肉眼可能感覺不到，但是有100多億年以前的光子會進入到你眼睛里。
光是最普通的，它隨處可見，但是這種普通的東西又一定是最神奇的。為什么這么說呢？
?光
我再舉一個例子，幾百萬年前，那時人類還是山頂洞人，他們走出山洞，可以看到和我們一樣的星空，那時候沒有污染、沒有霧霾，所以他們看到的星空可能更漂亮；古時候人們打仗也會看到這個星空，看到星空以后帝王將相們很高興，今天月光很好，召集群臣，召集嬪妃大宴群臣，文人墨客呼朋喚友，如果是柳永的話，還要從青樓請兩位佳人，吟詩作對，舉杯邀明月，對影成三人。
我們科技宅男的先輩們在干什么呢？科技宅男一看到星空，就會思考思考什么？這些星空的光是哪來的，是什么東西讓我們看到有星空，這個星空是什么？這個世界到底有多大，這個世界怎么來的？很自然的，人類仰望星空，就會思考這些問題，這些星星為什么在那里？
圍繞這個問題產(chǎn)生了很多理論，大家都知道，最早的時候是地心說，牛頓力學出來以后地心說被推翻了，開始帶來靜態(tài)的無窮大的宇宙，宇宙是無限的，時間是永無止境的，星空也是無限的，這是后來的一個觀點。
但是實際上，光早就告訴你答案了。我們科技宅男也是土（沒想到），牛頓力學建立起來一百多年、兩百多年以后我們開始意識到一個問題，假如宇宙是無限的，假如地球存在的時間也無限長了，也就是說宇宙中星星的數(shù)量也是無限的，那我們就推出一個結(jié)論——你看不到黑暗的星空。你一走出門就已經(jīng)被星星給曬死了，因為你要拿所有的星光積個分的話，你會發(fā)現(xiàn)地球上星光的強度是無窮大的。
那就是說我們科技宅男看世界的眼光是什么？抬頭一看天是黑的，這個世界是有限的，這就是結(jié)論，事實上現(xiàn)在的宇宙也告訴我們，這個宇宙體積上是有限的，時間上也是有起點的，剛才潘老師也介紹了科學看世界的眼光是這樣子的。
我們再講一個科學看世界的例子。
我們看到的光很容易產(chǎn)生，實際上任何一個物體都會發(fā)光，蠟燭什么的都會發(fā)光，你哪怕是拿一個黑漆漆的鐵塊，你把它加熱到一定溫度，很早很早以前人們都看到鐵匠打爐子，鐵塊就會發(fā)光。
所以光是怎么來的呢？光是構(gòu)成這個物質(zhì)最基本的顆粒原子，一振動就會發(fā)光。這里面就會有一個問題，原子發(fā)光的特性是什么呢？
量子力學出來之前就開始做仿真計算，算出來答案是什么呢？就是假如這個原子是發(fā)光的，按正常的理解，這個光始終是連續(xù)不斷的、一路一路發(fā)出來的，我們從來沒有看到光斷掉。如果是連續(xù)發(fā)光的話，你就會得出一個公式，就是能量越低的光發(fā)光的能量越強。也就是說，如果有一個原子，一發(fā)光就發(fā)出所有頻率的光，而且是無窮大的光，頻率越低的光能量越強，整個世界一下子就清凈了，為什么呢？全都變成光了，這個世界只有光和剩下來的殘渣。
但是我們沒看見世界是這樣子的呀，普朗克就提出了一個假設，原子發(fā)光是不連續(xù)的，它是量子的，整個世界都是量子的。
如果這個世界不是量子的，這個世界就不存在了，我們就不會坐在這里討論這個問題，科學看世界就是這樣子的。到了發(fā)光的原子層面，怎么才能看到真正的量子，或者怎么做出一個一個的光量子？量子力學預言了光量子的規(guī)律，我要把一個光子弄出來，這個時候我們說技術(shù)就開始出場了，怎么弄？
技術(shù)出場
這里有一個很小的模塊，很小的一個柱子，這個柱子直徑大概是千分之一毫米，大概相當于一根頭發(fā)的1%，這里面囚禁著一個半導體里的載流子，我們把它稱之為一個半導體的量子點。它的特點是什么？當我們用泵浦光打上去的時候，它的功能就相當于一個原子。
原子太小，我們真的去抓一個原子是抓不出來的，但是我們?nèi)寺斆鞯牡胤绞鞘裁?？我們可以用這樣的體系模擬出一個原子發(fā)光的過程。然后這個體系發(fā)一下，只發(fā)出一個光子，這就是單光子光源。
實驗室里的單光子光源和我們平常用的手機芯片是一樣的，但是它要把這個芯片降到很低很低的溫度，外面有一個大罐子，大罐子里面這個亮點我們把它叫做量子點，每次我們就可以用這樣一個點造出一個光子來，造出一個光子以后我們就可以做實驗了。
比如前面潘老師講了糾纏，怎么產(chǎn)生量子糾纏？假如這兒有個電梯，我們知道葫蘆娃里有水娃和火娃，但是大家不知道他們是雙胞胎，水娃和火娃如果一起進了電梯，電梯門一關(guān)，上去了，倆人衣服一換，出來了，誰是火娃、誰是水娃？
量子力學預言，這個時候不是說我們不知道誰是火娃、誰是水娃，這個時候你不不去問火娃的話，它自己也不知道，它既是水娃也是火娃，這是量子力學語言（和經(jīng)典力學）不一樣的一點，直到最后，如果說你問它，你是火娃嗎？是，那另外一個一定是水娃。這種量子糾纏的這種現(xiàn)象不管分開多遠也是成立的。用量子糾纏，我們又可以做很多很多事。
衛(wèi)星中的量子糾纏
那我們怎么做量子糾纏呢？圖片中就是我們衛(wèi)星里面的一個量子糾纏源，看起來很簡單，一堆鐵疙瘩再加一個電子板，很像電路機箱，但是它有一個激光干涉儀，就像我們剛才說的電梯，可以把兩個單光子“干涉”出來，最后這個糾纏源在天上可以以每秒大概100萬個的速率，不停地產(chǎn)生一堆一堆的火娃跟水娃。
當然純粹的單光子源用來做量子密鑰太難了，我們在理論上和在實驗上又提出了新的方案，誘騙態(tài)光子源，這個機器里就合成了一個誘騙態(tài)光子源，可以用來做量子密鑰分發(fā)。
信息傳輸
好，現(xiàn)在做出量子糾纏了，我們能夠用它干什么呢？
量子力學經(jīng)常受到很多質(zhì)疑，比如量子通信不是通信，量子通信不（像我們說的那么）安全，當然這個時候我們很難回答，為什么呢？我說想要證明量子通信不安全的人，最簡單的方法就是發(fā)一篇理論文章，再用實驗驗證，做完以后就可以拿諾貝爾獎了，也不必在媒體上質(zhì)疑了。
至于量子通信是不是通信，這個取決于到底傳什么。我這里可以介紹一種，量子密鑰分發(fā)，前面陳宇翱已經(jīng)介紹了，我們的衛(wèi)星里面還做了量子隱形傳態(tài)，這個時候我們怎么來傳輸信息呢？我們就用這種糾纏，兩個火娃、水娃之間的關(guān)聯(lián)特性，我傳輸這個信息的時候，我就已經(jīng)不用這個信息的載體了，而是用糾纏把這個信息直接傳送過去。
這個是我們講的光源，這個光源看起來也很簡單，就是一個量子點，再做一臺像電腦一樣的東西，就是我們的糾纏源，然后我們把它放到天上去，但是這樣單個的光子我們怎么探測呢？
其實有很多種探測光的方式，眼睛就是最標準的對光的一個探測，而且眼睛自然的進化很厲害，在單光子探測器出現(xiàn)之前，眼睛是這個世界上最敏感的光探測器。我們曾經(jīng)有物理學家試過，大概十個到百個左右的光子就已經(jīng)足夠讓眼睛有反應。
我們現(xiàn)在看到，一個光子眼睛還是探測不到的，因為單光子能量很弱、很弱，但它是有能量的。為什么我們傳統(tǒng)的探測器或者眼睛對打出來的單光子感應不到呢？單子光打到眼睛里面的時候，實際上它也產(chǎn)生信號了，但是這個信號太微弱了，我們?nèi)慷佳蜎]在眼睛或者儀器里面的噪聲里去了，怎么辦？
我們用超導納米線做了一個特殊的眼睛，把它降到很低、很低的溫度，非常低的溫度意味著什么？意味著原子什么的全部都已經(jīng)靜止了，一點一點的擾動就可以擾動到它。然后一個光子打進來，在納米線上轉(zhuǎn)變成的熱量，就足以讓它退出超導的狀態(tài)，我們就可以探測到這個光子。我們還有新的技術(shù)，比如說我們有半導體雪崩的這種效應，也可以做這種單光子探測器，這樣的單光子探測器我們就可以把它搬到天上，這樣我們在天上就能夠探測到地面發(fā)出的量子光了。
量子衛(wèi)星·面對面
量子光的發(fā)射和接收實現(xiàn)后，我們就可以干很多事情，包括我們量子星里邊的幾個基本的任務。
比如說量子密鑰的分發(fā)，我們可以從外太空，直接在衛(wèi)星和地面之間建立密碼通道。衛(wèi)星有一個好處，它可以全世界到處跑，假如不追求覆蓋效率，一顆衛(wèi)星也可以覆蓋全球，可以給全球任意一個大使館都實現(xiàn)量子密鑰分發(fā)，產(chǎn)生我們還把糾纏源放到天上，我們可以把那個火娃、水娃真的從衛(wèi)星上面送到千公里外的兩個接收端來檢測火娃、水娃的量子力學的非局域性，我們還可以用量子隱形傳態(tài)來做量子糾纏的傳送。
這個就是我們量子衛(wèi)星整個的形狀，你看這是一個光學天線，這邊兩個紅布都是光學天線。我沒做量子衛(wèi)星之前也覺得衛(wèi)星很神秘，開始做之后發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星的每一根線都是人手工制作、搭建的，從自動化程度來說，還不如富士康的iPhone手機生產(chǎn)工廠，但是從質(zhì)量、從科技含量來說，衛(wèi)星（比富士康）還是高級一些的。
量子衛(wèi)星（實驗儀器的體積）大概一個立方米，可以把我們的實驗儀器全部都裝進去。
光有衛(wèi)星在天上還不行，還要有地面接收衛(wèi)星的量子信號，實際上這個也很簡單，我們跟天文臺合作，天文臺那里天氣好、有后勤、有道路，我們?nèi)プ鰧嶒灥牡胤蕉际秋L景非常漂亮的。
這是北京邊上的興隆、烏魯木齊邊上的南山，這是青海的德令哈，這個大家都知道云南的麗江，這里是西藏的阿里，海拔很高，歡迎大家過去。
在這樣幾個地面站，我們用這種光學望遠鏡把這個光收下來以后，然后用前面說的單光子探測的系統(tǒng)進行探測，這就是我們實驗的照片，這個綠色的就是在天上發(fā)下來的信標光，紅色的就是地面發(fā)射的信標光，但是這個信標光本身并不傳輸這個量子信息，我們的量子信號會沿著這兩個光標記的信道發(fā)下來。
這個必須要講一下做科研人的感受，“墨子號”量子衛(wèi)星8月16日發(fā)射上天，發(fā)射大概一周后，我去了北京興隆，因為量子衛(wèi)星光的亮度設計的余量比較高，打下來的時候強度比較大，大家可以試著去找一下。
在上海，別的星星你基本看不到，但是金星可以看到，金星是除了月亮和太陽之外肉眼能夠看到的最亮的天體。量子衛(wèi)星的亮度打下來你會發(fā)現(xiàn)比金星還要亮，然后它的顏色是綠色的。
夏天在興隆你可以清晰地看見背景的銀河，當你肉眼看到亮點，一個比金星還亮的亮點，就那么很安靜很安靜，它離我們太遠了，你聽不到它的聲音，非常安靜地從這個天空一路劃過天際的時候，你心里那個感覺，當時我一直在想，這個是我做的，這個感覺太爽了。
所以做科技宅男有的時候反射弧比較長，動手也慢一點，可能老婆叫倒個水5分鐘還不知道水在哪里，我們做一個事情，做這顆星要做十年，但是十年以后成功的時候帶來的感覺，也確實不能簡單地用一個“爽”字來形容。
這就是我們量子星工作的時候，它在飛過興隆，飛過南山，飛過德令哈，它會建立起這個密鑰，建立起這個糾纏，隱形傳態(tài)實驗，它某種程度上是通過衛(wèi)星和地面一起構(gòu)建一個真正的天地一體化的實驗，這個實驗室是非常巨大的，覆蓋了幾千公里這樣大的范圍，我們就在這個范圍里做量子力學的實驗，它也開辟了未來空間量子科學實驗的一個方向。
量子操控技術(shù)
最后再簡單地介紹一下我們其他小組的一些工作，我們前面講的量子衛(wèi)星，本質(zhì)上就是把一個光量子從天上扔下來，地上能收到、能看到就行了，再不就是把一個光子從里面扔上去天上去了，這是我們在很廣闊的空間尺度上構(gòu)建的量子實驗體系，我們實驗室還有很小的尺度，它能做什么？
大家看這個照片，這是一個個格子，一個格子是一微米或者是500納米，每個格子里的一個亮點是什么？是一個原子，我們前面說了，正是因為單個原子太小了，所以我們沒辦法用單個的原子來產(chǎn)生單光子源，所以我們想了一種辦法，用一個半導體的柱子來產(chǎn)生單光子源。
但是我們科技宅男是不放棄的，單個的原子我們也可以試一試，我們這種技術(shù)就能夠抓住單個原子，然后把單個原子一個個地排列起來，一個個地進行操縱。
大家看，這是我們用單個單個的原子排出了量子力學一個著名的符號。我們做這些（大尺度、微型尺度的實驗）是為了什么呢？我們目前可以操縱最小的顆粒，我們想要操控的更多，在更大的程度上進行操控，我們?nèi)祟愒谧匀唤绶毖艹鰜?，一直想干的事情就是超越這個自然界，毛主席說了人要勝天嘛，這個其實也就是我們從技術(shù)層面，從量子層面要做的事情。
未來·已來
其實人類不理解量子力學或者批評量子力學是不對的，是因為我們離量子力學不夠近，當我們遠遠地看量子力學的時候，我們其實就像從高樓里看低處廣場上的人。廣場上有很多人，每個人都在說話，每個人說話的內(nèi)容都是有意義的，每個人唱歌的聲音也是很好聽的，但你離遠了以后你只會聽到一片的噪音，你只會看到一些茫然的人群。
而我們研究量子力學，前面我們做了件事情，就是把這種人群，把粒子的群，讓他用同一個聲音發(fā)音，這種就叫宏觀的量子態(tài)。
比如說前幾十年這種激光，包括晶體管，核能的一種基礎，就是把所有的量子都調(diào)制到一個臺面上，他們就變成合唱團了，這個時候量子的聲音和量子的規(guī)律你才能夠看到。
最近這幾年我們在做什么呢？我們經(jīng)常聽到一個詞，叫量子調(diào)控，就是每一個粒子演奏不同的曲目，每個粒子按不同的規(guī)律自己互相去演化，這個就是一個交響樂團，能夠比合唱團做更多的事情，我們在更遠的距離上去調(diào)控量子，我們在更多的粒子層面上去調(diào)控量子，我想這個就是量子技術(shù)一直在發(fā)展一直在做的事情。
最后，科技改變生活，量子創(chuàng)造未來，謝謝大家！
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制版編輯：鄧志英 |
