曹原：仰望量子星 感嘆祖國科技偉大也治好了我多年的頸椎病
特別榮幸，今天有機會跟大家聊一聊我們的夜空中最亮的星，量子科學實驗衞星。
我首先讓大家看一點大片，至於是什麼大片，待會兒大家就知道了。我會簡單地把這個墨子號科學實驗衞星大概的情況給大家做一個介紹，之後基於我們墨子號的衞星我們幹了很多事情，挑一個來給大家介紹一下，基於衞星的星地量子糾纏分發實驗。
星空大片
我們來看這個圖，我相信大家可能在一些媒體上也看到過，非常酷的一張圖，這個就是我們的大片。自從幹了量子衞星，幹了星地的實驗以後，可以説我們各個地面站的小夥伴基本上都變成了攝影愛好者，為什麼呢，因為我們的量子量子衞星實在是太美了。
大家看看，這是我們在量子衞星過境的時候，在過境後多幅照片合成一個圖，這個裏面還能看到銀河的背景，那天就是基本上綠色的光點就在天空中慢慢飛過，直到穿過銀河。我們注意到這個裏面這個綠光，你現在看到的是一條線，那是因為我們去拿相機拍攝的時候，由於在晚上拍攝，所以我們一般把曝光時間調到十秒到三十秒，所以從一個光點，因為曝光很長，所以它就是一條線，每一個十秒都拍一張照片，之後可以合成這樣的照片。
這個綠線就是我們從墨子號上面發下來的綠色的信標光，紅色的光就是我們地面站，射向墨子號的紅色的信標光。我們每次實驗都得是天上的衞星和地上的地面站兩個東西對上眼以後，就是我們這兩個光互相對上之後，我們這個光學鏈路就建立起來了，我們非常微弱的量子信號就可以通過這個鏈路，來進行我們量子通信這方面的實驗。
這一幅照片是我們同事在另外一個地面站拍的，這個照片很有意思，當天天氣並不是特別好，其實我們看到是有云的，我們原以為有云的情況下我們的實驗就做不了了。後來我們發現由於天上的信標光和地面的信標光其實都挺強的，即使在薄雲的情況下，這個信標光還是可以互相對準的，這個鏈路還是可以建立起來的。而且當時因為有這個雲的效果，所以我們看基本上綠色的光就把那個雲那一片照亮了，所以拍出來的效果還是非常科幻的。
這一張是我們新華社的記者，當時在興隆站做報道的時候拍下來的。我們看到後面的這個，跟剛才第一張就不一樣了，第一張是一個星空，後面這個實際上是，我們知道天文這個攝影愛好者很喜歡拍一個東西叫星軌。我們那個地球，你平時看星空的時候是看不到這個，因為地球的自轉是很慢的，但是如果你拿相機非常好地把它長時間，晚上長達數幾個小時的拍攝，最後把照片合成以後，你會發現天上的星星其實是在動的，那麼這是一個相對，其實是我們的地球在自轉，所以你看到是這種弧形的在動，所以新華社記者就把這個很漂亮星軌的背景和我們量子星過境的時候這兩個圖片合成在了一起。
這個也是阿里站另外的一個背景，也是星軌，你看我們這個對的就不是量子星了，它用的是我們地面站的紅光，兩個發射單機，對的是我們中間的，中間那個是不動的，有沒有人知道中間的星是什麼星？對那個就是北極星，因為它跟地軸的延長線是重合的，所以在地球自轉的時候，只有中間的這顆星是不動的。那天也是專門用紅色的信標光，對準這個北極星，然後背後是星軌的一個圖象。
這個也是當時阿里站的三個發射單機，綠色的也是量子星過境的時候，這個也是在阿里站拍的，天氣非常好的時候，這個星空我覺得你如果身臨其境看星空，你會發現如果你有密集恐懼症的話，可能會很難接受。真的是被天上的星星亮瞎你的雙眼，這個也是銀河。這個也是我們另外一個地面站，我覺得這樣的圖片的意境其實是很好的，我感覺就好像我們紅色的信標光就是我們的一把利劍一樣，我們在對着星空亮劍，亮的我們人類科技的劍。這是一個動圖，多張照片合成的，讓大家感受一下量子星過境的時候，感受是什麼樣的。
所以給大家看了這麼多圖片什麼意思，我想説的就是我們科學實驗不只是非常枯燥地調設備、熬夜，或者是面對的都是冷冰冰的數據，其實我們科學實驗也可以很美、很迷人。而且我記得第一次星地的連接建立完了以後，我記得當時發過一個微博，我在微博上這麼寫的：記得時不時仰望一下星空，提醒自己人類很渺小，也記得時不時地抬頭仰望一下，看看我們的量子星，在感嘆我們科技偉大的同時，也治好了我多年的頸椎病。
關於通信
量子衞星 為什麼
首先我們為什麼要搞量子衞星？我們知道無論是經典的通信還是我們現在講的量子通信，只要是通信的話，一般來説有兩種信道，一種是光纖這個信道，另外一種就是所謂自由空間。自由空間的意思就是，比如是我們的手機，這種無線電的通信，光通信也可以在自由空間，不只是在光纖裏面去傳，就是在空間裏去傳，比如説我們衞星，星地之間。
這兩種信道其實沒有説誰好誰壞，他們各自有各自的特點，我們希望的是把這兩種方式結合在一起，最大程度地滿足我們日常生活的需求。我們知道光纖信道有一個特點是什麼呢，光纖信道如果用光做實驗的話，它本身有一個叫做退相干的效應，就是説對光的狀態的擾動會比較劇烈。再一個光纖它有一個固定的衰減，基本上這個衰減是一個乘起來的關係。所以當光纖做得越來越長的時候，那你這個光的衰減是非常可觀的。
如果在我們的量子通信裏面，如果用光纖來做的話，不同於經典通信，經典通信可以把光無限的功率放大，但是量子通信是不可以用這樣經典的辦法去放大的。所以當我們需要更遠距離去傳輸的時候，比如説上千公里這種級別的時候，可能這個事情就辦不了。
我們這個領域有一個著名的學者N. Gisin，他舉過一個例子，即使我們用最好的單光子源，如果通過1000公里的這個光纖，沒有任何中繼的情況去傳輸的話，如果接收到另一頭，我想獲得一個光子需要多長時間？需要三百年，所以這個基本上就是完全不可能實現的事情。
量子衞星 怎麼做
如果我們要實現全球的量子通信，就是更廣域的量子通信，我們有沒有更好的辦法可以解決這個問題？肯定是有的，就是我們自由空間信道，我們來通過這個衞星平台來做中繼。這個自由空間信道有什麼好呢，我們在大氣的環境下，它其實也有衰減，但是當我們做這個星地空間的時候，因為我們的垂直大氣，它的密度是有梯度的衰減，也就是越到外面大氣的成分越少，所以基本上我們知道垂直大氣的等效厚度是10公里，再往外的外層空間其實就是接近真空的狀態。在這樣的信道里面，光子本身就可以不受任何干擾，它的衰減也幾乎為零，所以利用這個優勢，就可以利用衞星平台，來實現更廣域的量子通信。
這個量子通信這個領域在自由空間這一塊競爭也是非常激烈的，我們知道潘老師早年在歐洲的時候，跟他的導師在歐洲，回國以後在這個領域其實展開了非常激烈的競爭。這個是當時2012年的一篇報道，我們看下面他列的，基本上上面是歐洲的工作，下面是我們國內的工作。經過將近十年的發展，基本上你看我們做一個13公里的，他們也會去做一個更遠的，我們做16公里的，他們做144公里，大家一直在競爭，從傳輸距離，從不管是密鑰分發等等都在競爭。
我們現在可以很高興地説了，最終我們在中國，在潘老師的團隊，我們在這場競爭中，我們是佔得了先機，我們領先歐洲，領先美國更早地發射這顆量子科學實驗衞星。這個項目是在2011年底立項，大家看新聞就知道，去年8月16日的時候，墨子號就成功在酒泉基地發射，歷時差不多是五年的研究時間。
關於衞星
量子衞星 天上
現在我們分開講一下，因為我們量子科學實驗衞星不同於其他衞星，它是一個通信衞星，而且是光通信。那麼它是一個天地一體化的事情，不是説我將一顆衞星發到天上，下面就不用管了，它下面自己測就沒事了，它是每一次實驗每一次通信都要天地去配合，所以基本上分成兩大塊，一個是天上，天上的衞星我們有效載荷主要是四大有效載荷，一個是我們量子實驗與處理系統，它是負責整個衞星上面的各種實驗的數據傳輸、實驗任務的分配，下面我們有另外三個載荷，一個是量子糾纏源，如果我做量子密鑰分發，我從衞星到兩個地面站去做，我天上需要有這麼一個量子光源。
你有了量子光源還不夠，你需要衞星跟地面去對接，所以我們有一個量子密鑰通信機和量子糾纏發射機，這兩個單機實際上都是我們叫光學天線也好或者叫望遠鏡也好，你可以把它理解成一個裝在衞星上的望遠鏡，它負責把光信號發向地面。
這是我們的一些載荷的實物照片，這邊的大塊頭就是我們量子密鑰發射機，這個桶狀的東西就是一個大口徑的望遠鏡。它下面的這個盒子裏面，就集成了很多比如説我們做密碼的光子源，還有裏面的這個跟蹤設備，就是説你的光打下去和地上的光打上來，我要識別它，然後捕獲它。根據反饋實時要對準。這邊就是我在項目裏主要負責的量子糾纏源，聽起來很神秘，但實際上它也是具體的由光學、電子學的設備組合成的。
這麼一個光源當時的技術難度也是很大的，因為從來沒有人發過類似的產品上天，我們把這個東西從實驗室的光學平台裏頭，搬到這個上面，一個方面就是光學要很精密，它的穩定性要非常好，再一個各種電子學的設備在裏面，它要抗振動、抗真空，各種環境實驗，所以這個其實也是一個非常難的事情。這是我們整個量子衞星在總裝，就是外殼罩起來之前，所有載荷放在一起的照片，這個已經是最後的產品。
我們可以看到這裏還有一個，這個就是另外一個發射單機，糾纏源就是在這幾個盒子裏面放着。我今天還帶了一個模型實物，大家可以簡單看一下。
我們這顆衞星還屬於微小衞星，就是説整體重量大概在一噸左右，這是我們最後上天的衞星大概什麼樣子，這兩個翅膀大家都知道，這是太陽能的電池板，這個衞星在天上自主軌道里飛以後，它所有的能源，這裏面有激光器、姿態控制，所有的能源，電的能源、熱控的能源，全部是靠這兩個太陽能板來給它充電，裏面有蓄電池。大家可以看到這個黑色的桶，就是我們剛才講的其中一個發射機，這個是另外一個，這個跟它的結構不太一樣，它這個是兩維去旋轉的。基本上它在天上飛的時候，衞星整個姿態，讓一個發射機對準一個地面站，這個因為它可以兩維自由旋轉，他去尋找另外一個地面的目標。
量子衞星 地下
另外一個很重要的就是我們地面的系統，地面的系統我們叫做科學應用系統。什麼意思呢，就是我們這顆衞星最主要的目的還是要做科學實驗，做一些演示。我們地面一共大概總的還説是有五個地面站，一個在北京，其實它的位是在河北的興隆縣，離北京很近，那裏就是我們國家天文台有一個亞洲最大光學的實驗基地，那裏面有九台性能非常好的光學望遠鏡。我們量子星是用其中的一個，口徑一米的地面站作為我們的地面接收系統。
烏魯木齊南山我們有一個自主興建的實驗站，德令哈就是在青海省，離青海湖大概兩百多公里，我們有一個德令哈興建的地面站。阿里的這個是我們五個地面站裏面海拔高度最高的，阿里的地面站海拔基本上有5100多，可能對於很多人沒有上過高原的人來説，還是很有挑戰性的。但是我們實驗的小夥伴，我們在阿里站的那些同學包括老師，去年幾乎大半年的時間都堅持在5100米的阿里站，條件也是很艱苦的。另外一個站就是昆明的，我們是改造了他們那個站裏面一米八的望遠鏡，大概就是我們這麼幾個地面站。
我們基本上地面站景色還是非常好的，我建議大家以後去旅遊，你比如説去雲南麗江旅遊，我就覺得並不一定非要逛古城，也不是很遠，去地面的天文台去看一看，我覺得非常有意義。包括河北興隆是離北京很近的，如果大家有機會去北京玩，可以去河北興隆這一個亞洲最大的光學地面站去參觀。
量子衞星 三大功能
我就介紹一下我們現在墨子號有哪些神通，基本上有三大任務，第一個就是剛才劉洋老師已經提到的，我們要做高速的星地量子密鑰分發。比如説我們在北京做一次密鑰分發，衞星飛到烏魯木齊的時候，再做一次密鑰分發，相當於我把衞星當成一箇中繼，這樣北京和烏魯木齊相隔千公里，兩個地方就可以共享這個安全密鑰，這是第一個。
第二個我們要做星地量子糾纏分發，這個分發跟剛才不一樣，就是衞星要同時對準兩個地面站，把剛才提到的糾纏光源分別發給兩個地面站。這個最主要的意義，是對我們量子力學的基本問題去展開一些科學上的探討研究。第三個實驗就用到我們阿里站，這個實驗跟前面兩個實驗又不太一樣，前面兩個實驗都是光源在天上，這個實驗由於我們光源更復雜，沒有辦法搬上去，所以這個實驗我們叫量子傳態實驗，是從阿里往衞星上發。一共是這三個實驗。我們整個的量子科學實驗衞星的這個項目，也不是科大一家完成的，因為有衞星、有地面站、有天文台，所以基本上我們是多家單位聯手最後把這個事情幹成的。
最後我們這個量子衞星還要幹一件感覺很了不起的事情，我們現在也在進行中，我們這個可以甚至實現不光是中國境內千公里，我們通過衞星，衞星可以繞地球到處跑，我們甚至可以通過衞星，建立一個洲際密鑰分發。我們下一步就要跟維也納，奧地利維也納的因斯布魯克，潘老師最早在國外的老師，跟他們的團隊去合作來演示一個這樣的實驗。就是在北京，和維也納建立一套絕對安全共享的密鑰。下面這個照片就是我們外國的同行，在地面站拍到的類似於我們自己拍到的這個光學對接時候的照片。
量子衞星 量子分發
下面就給大家從另外一個角度來講一講我們要做的實驗，星地的量子分發到底是幹什麼用的。
提到量子糾纏，最早就是從愛因斯坦説起，愛因斯坦當時對量子力學很不滿意，他覺得量子力學這個描述是不好的，於是他們就發表了一篇文章，我們現在叫EPR佯謬，就是三個作者，愛因斯坦跟另外兩個人，他們的名字的首字母叫EPR。他就是説用了一個很有意思的詞，你看這樣的糾纏態，就是説很不可思議的，他當時用的詞“Spooky Action at a Distance”，意思就是鬼魅似的遠距作用。所以通過這樣一個假想，想要去反駁量子力學。
這裏面很重要的一個概念就是一個核心是什麼呢？就是量子糾纏其實體現了不同於我們平常生活中的一個關聯，我們叫量子關聯，量子關聯的本質是什麼，它奇怪在哪裏。談到這個關聯，我們先想象一下我們現實生活中，這個關聯是什麼樣的關聯。我們現實生活中所有的關聯，是不是基本上可以分為這兩大類，第一個英文叫Common cause，中文翻譯沒有什麼特別好的，你可以叫共同歷史或者説共同的一個原因。
這個什麼意思呢？舉個例子大家就懂了，我們看打雷，我們總是先看見閃電然後聽到雷聲，為什麼呢，那是因為無非就是光的傳播速度比聲音傳播速度更快，所以這個看起來是一種關聯，我們總是這樣，總是先看到閃電再聽到雷聲，它其實是他們是同一個事物產生的，只不過由於不同緯度的物理性質不同，有了一個時間上的先後。
那麼另外一種關聯是什麼，就是因果關聯，就是生活中最常見的因果關聯，一個事情發生導致另外一個事情。這個例子也很形象，我們知道潮汐是怎麼產生的，是月亮相對於地球不同的位置，由於它們兩個之間的相互引力不同，帶來了潮汐。由於不同的位置，由於引力作為一個媒介，導致了潮汐現象的發生。所以這是一個很典型的因果關聯，而且因果關聯還有一個很重要的性質，愛因斯坦告訴我們因果關聯所有的關聯，它的傳播速度是不可以超光速的。
也就是説如果我兩個隨機事件在兩個地方，他們產生的時刻，足夠的同時，同時性足夠地強，以至於他們這個，比如説它在t1時刻產生，這個時間差以至於什麼呢，即使用光速也不可能從這邊傳到這邊。我們就可以斷定這兩個隨機的事件，一定是沒有關聯的，要不然就可以用因果的關聯來解釋。所以我們基本上可以想，還有沒有人舉反例，反正我是想了很久，基本上我在現實生活中，在日常生活中所有的關聯都可以歸為這兩個，我找不到第三種，能想象得出來有什麼樣別的類型，就是描述的觀點。所以我就想，我們經常想我能不能用日常生活中的這兩類關聯，去解釋量子糾纏，解釋量子糾纏所謂的相互作用這種關聯呢？
終於1964年的時候，有一個很偉大的科學家貝爾，本身是歐洲CERN實驗室的工程師，但是他在一次度假的時候，他對物理的興趣從來沒有減退過。他看到以前的這方面學者的文章，突破性地提出了一個貝爾不等式，他根據愛因斯坦的定域實在論，根據經典力學裏面的假設，他推導出了一個不等式，這兩個不等式告訴我們什麼意思？
如果我們想用日常生活中經典力學裏已有的觀點，去解釋量子糾纏態的相互作用的話，一定要滿足這兩個，你會發現一定會滿足這兩個不等式。第二個是我們實驗上經常用的，就是這個不等式我們這種統計的測量，對兩個糾纏光子進行統計的測量之後，如果是小於等於2，那就説明這個應該就是經典的關聯模型可以解釋的，但如果是破壞了這個不等式，那就是説明我們已有的這個解釋關聯的模型，在量子的世界裏，在量子糾纏裏就不適用了，就是很遺憾。所以到目前為止，所有的貝爾不等式的檢驗實驗，都發現破缺了這個不等式，那就意味着這個糾纏確實是特殊的。
所以我們現在就是在衞星平台，利用這個衞星又做了一遍這個事情，去測量兩個糾纏光子的關聯，我們用的也是這個貝爾不等式，這也是我們最新的結果，我們就發現還是大於2。就是説明糾纏的這個關聯真的是很奇怪，不是我們用日常生活中經常接觸到的兩個關聯。這種實驗也是第一次利用衞星平台如此大尺度的空間，大於千公里級的這個空間，再一次驗證了量子力學的正確性。
但是這個結果實際上我剛才也講了，它並沒有告訴我們量子關聯的本質是什麼，量子糾纏的本質是什麼，關於它的本質，到目前為止學術界仍然是一個比較開放的問題，大家在這個方面的探索和研究還在不斷地進行當中。認識了它，其實也是我們對所身處的世界，對於大自然的客觀的規律有了更深刻的認識。所以我看下面今天也有很多中學生、小朋友們，所以我也希望因為這是一個開放的問題，大家還有一代一代的科學家還有科研工作者都在試圖努力地去解釋這個事情，理解我們的世界，我也希望大家以後可以投身到這個科研實驗當中，謝謝大家。
（本文是墨子沙龍出品的量子系列科普之一，觀察者網獲授權轉載）
