院士Talk·王建宇｜一個繞太陽轉的等邊三角形，為監測引力波帶來什麼改變？_風聞

2016年8月16日，以“墨子號”命名的全球首顆量子科學實驗衞星成功發射，吸引世界科技界矚目。

日前，中國科學院院士、“墨子號”工程常務副總設計師、衞星總指揮王建宇與我們分享了“墨子號”完成的科學任務、它背後的“黑科技”，我們要如何探測引力波，以及中國未來十多年的空間太極計劃路線圖。

王建宇

中國科學院院士

中國科學院上海技術物理研究所

研究員、博士生導師

中國科學院空間主動光電技術重點實驗室主任

我們每天都在和光打交道，但是，光在太空中能做些什麼呢？

其實，光學是一門非常古老的科學，人們很早就開始研究它。牛頓説，光是一個粒子，而另一個科學家惠更斯説，光是一種波，他們兩個人吵了將近200年，誰都説服不了誰。

直到上個世紀初，愛因斯坦説：你們為什麼要非是這個，不是那個，為什麼兩者是排斥的，為什麼不能融合。

所以，愛因斯坦提出了**光的波粒二象性：****光既可以是粒子，又可以是波。**這個理論提出來以後，對於光的研究來説，是開闢了一個全新的世界，也為後來量子力學的發展奠定了基礎。

光是什麼？

在現實世界中，大家都非常熟悉二進制算法，0就是0，1就是1，但是在量子的世界裏不是這樣。在量子的世界裏，一個事情既可以是0，又可以是1，可它到底是0還是1，是按概率來計算的。

在量子世界裏，量子粒子在那裏，你不去測量它，你就不知道，去測量它，才能知道是0還是1。可是科學家又加一句説，一旦被測量以後，這個東西就不是原來的東西了，它塌縮成為一個經典態。我們聽着感覺非常神秘，這不奇怪；創造量子力學的科學家玻爾也説過：誰不為量子力學感到迷惑，誰就沒有真正瞭解量子力學。

那麼，量子力學裏面有什麼呢？

一個是波粒二象性，它既是波又是粒子；

還有一個量子力學測不準原理。比如你去測一個粒子，一旦你測到它非常準確的位置，它的速度就完全測不準，這兩個的誤差乘起來是個常數。

量子與量子疊加

現在的科學家，不單單要了解量子力學的兩個特性，還要利用它去做很多事情。

空間量子科學實驗

第一件利用光做的事情，就是量子科學實驗衞星“墨子號”。墨子號是2016年8月16號發射的，也是全世界第一個在太空當中進行的量子科學實驗。

墨子號要在太空中產生一個在傳輸過程當中不可破譯的密碼。因為光的光子是一顆一顆的，所以這個密碼發下來以後，接收的人拿到了，竊聽的人一定拿不到，所以它是安全的。

但是，如果竊聽的人把光子全部拿過來，拷貝以後再轉發，同樣可以完成竊聽嗎？

其實，根據量子力學的原理，量子一旦被測量以後，它就不是原來的狀態了。通俗地説，被測量拷貝的量子一定會有一定的比例和原來是不一樣的。

所以有了這兩個原理，我們就可以保證，用量子方法分發的密鑰在傳輸過程中一定是安全的。

量子密鑰分發安全性

這是“墨子號”的第一個任務：從天上向地面髮量子密鑰。我們順利完成了星地的量子密鑰的分發，最後的結果發表在《自然》2017年8月刊上。

星地量子秘鑰分發

第二個事情可能更神秘了。前面説過，不測量A粒子和B粒子，你是不知道它們的存在的。但又有科學家推出了一個很“怪”的理論：在一種特定的情況下，A粒子和B粒子相當於雙胞胎，測量其中一個以後，另一個的狀態就一定能確定了。

這個理論，好像和前面量子力學的測不準原理是相悖的。

實際上，連愛因斯坦等發明量子力學的那些人也懷疑，是不是量子力學理論有毛病。所以，大家一直就去尋找答案，這種現象到底存在不存在。

星地雙向糾纏分發的實驗

所謂的相對論的定域性認為，對一個粒子測量不會另外影響另外一個粒子；而量子力學的非定域性則認為，對一個粒子測量，有可能會瞬間改變另外一個粒子。

上個世紀，愛因斯坦和玻爾兩位物理學家，也為這個問題爭論了很長時間。物理學家比較喜歡吵架，但這種吵架對科學發展是有好處的。

愛因斯坦與玻爾

後面有人證實了，這種現象在地面近距離是存在的。但是物理學講究的是，測量了10公里存在，不等於11公里存在，所以這種現象在宇宙裏面，到底存在不存在？

我們通過“墨子號”做了一個測試，當年做完以後對國際上影響非常大，1200公里的糾纏，我們證明是存在的。

有人説，你們這個衞星上去，如果證明出來是不對的，怎麼辦？

當時我也問過潘建偉院士這個問題，他就反問我：“你有沒有信心説，你這個設備一定是沒錯的。如果是沒錯的，比證明是對的還偉大，就是我們從理論上又有一種可能，糾纏現象超過多少距離是不存在的。”

但現在做出來恰恰證明它還是存在的。

1200公里糾纏分發

剛才我們説量子力學很怪，拷貝以後就會錯，但是如果一個世界不能拷貝，它這個世界和其他地方是割裂的，這個世界是沒用的。

所以科學家認為量子世界裏面，一定有它自己傳輸信息的方法。在上世紀末，就有人提出：如果這種糾纏現象存在，那麼就可以借用這個糾纏來傳遞量子信息，這就是所謂的量子隱形傳態。

在宇宙中，這樣的隱形傳態現象能不能存在？能不能通過糾纏來傳遞這個信息？這就是我們要做的第三個實驗。

我們先用一堆糾纏堆，和另外一個粒子作用，因為A和B的糾纏，再和X一作用，它的信息自動就到B上面去了，然後把B送到另外一個地方，通過另外一個反變換，我就可以把這個X原封不動地複製出來。

但是要知道，原來的X，在量子的世界裏面經過作用以後，它就沒有了，但是它的信息卻都傳出去了，這就是我們做的第三個實驗。

地-星量子隱形傳態實驗

這個實驗做完之後，也在國際上產生了比較大的影響，因為量子科學實驗衞星是中國提的想法，中國第一個做的。

歐盟的戰略佈局

這個實驗對國際量子信息的發展產生了很大推動作用。美國在2017年10月專門開了一個聽證會，特朗普説：美國是不能容忍在量子競爭當中落後於人的。我們的努力不僅給中國科學家帶來了福音，國家給予了大量支持，也給世界其他國家的科學家帶來了福音。

取得這個成果到現在已經三年了。量子衞星還在天上工作，科學家也在做很多新的實驗，那麼我們下一步要幹什麼？我們要做兩件事。

**第一件事：把科學變成生產力。**我們正在策劃要去做一個小衞星的星網，讓量子密鑰在我們國家安全領域真正用起來。

第二件事：我們還要不斷攀高峯。

“墨子號”目前有兩個曲線，一個是在低軌軌道運行的，因為低軌軌道是繞着地球轉的，每天經過的時間非常有限，作為通訊衞星是有限制的，所以我們要把軌道提高到萬公里量級。

第二個，我們現在只能在晚上做實驗，還不能在白天做，因為我們要探測裏面一個一個非常小的光子，非常怕有干擾，我們要解決干擾的問題。

我們準備建一個全天候高軌工作的量子衞星，我們想用一個個光子，創造一個為人類所用的量子世界。

空間量子通信的發展趨勢

引力波探測

物理學家預言世界上有四種力，一個最常規的就是電磁波，還有強核力、弱核力，這三種我們都直接觀測到了，只有引力波一直沒有觀測到。一説到這個又要提到愛因斯坦，他確實是太偉大了，不僅作出了很多發現，還預言了引力波。

直到2016年美國做的一個LIGO系統，它看到了某個地方，星星合併以後傳過來的引力波。

從預言到發現引力波

引力波有什麼用呢？

有一種科學説法認為，宇宙大爆炸以後，70%的能量是暗能量，你現在都沒看到，在另外30%的物質裏面，你看到的只佔15%，而85%叫暗物質。暗物質暗能量，一直是困擾人類的東西。

曾經有科學家預言，**如果我們看引力波，能夠像看電磁力一樣的話，這些東西可能都可以看到了。**它將產生的影響也會是非常非常大的。

人類對量子宇宙物理的認知

引力波和和光學有什麼關係呢？

引力波的測量原理是什麼呢？

根據愛因斯坦廣義相對論的預言，引力波會壓縮空間，也就是説它明明是這麼長的時間，引力波一來可能就被壓扁了，也可能會拉長一點；這裏的壓扁和拉長，實際發生時是非常非常微小的，它是皮米量級，就是負十二次方量級，所以我們要希望在一個地方能夠測出這個東西，才能看到引力波。

引力波探測原理

可能有人會有疑問，地面已經測到引力波了，你們為什麼還要到天上去測？

因為引力波和電磁波一樣，有不同的頻段，而地面距離比較短，我們看到的只是引力波里面非常少的一部分，更多的必須要在非常大的距離來看，所以科學院在過去一年裏面研製了“太極一號”，為引力波測量做準備。

“太極一號”已取得的主要結果

人類要真正測到引力波，還有很遠的路要走。

現在我們的激光干涉儀，能夠測到百皮米量級的精度，它能測到一個原子大小的距離變化。

但是，真正測量到引力波要精確到幾個皮米到十幾個皮米的量級。

在太空中，所謂的距離肯定要一個標準，我們會放兩個重力塊在那裏，觀察重力塊的變化。但如果外面稍微有點力，根據牛頓力學定理它就要變；要不讓它變，就要把它的加速度測出來；我們現在能夠測到的加速度，相當於一隻螞蟻推了一下“太極一號”衞星產生的加速度。

我們現在測到了十的負九次方，真正要測引力波大概還差六個數量級。

另外，重力塊在太空中飛行，太陽一照（也就是“光壓”，指光照射到物體上對物體表面產生的壓力）它的位置可能就變了，所以當我們探測到這個變化，就要把它調整回去，這就是所謂的微推力。

微推力要精確到什麼程度呢？就是一顆芝麻的萬分之一的重量。我們能做到零點幾個微牛的推力，來調整我們上面兩個質量塊。

今後我們要做到的，是要做到10的負15次方加速度的測量。

今後我們還要建一個繞太陽轉的等邊三角形，這個等邊三角形的邊長是250萬到300萬公里。也就是説在這個距離下面，我們要知道它變化幾個皮米，只有這樣才能真正測到引力波。

空間太極計劃-引力波探測星組

在太陽軌道上可以避開地球重力梯度噪聲的影響，然後探測器温度變化要控制在百萬分之一的要求。這些測量都是非常極限的程度。

現在，我們這個計劃的進度和歐洲齊駕並驅了。一開始是歐洲先提出的這個計劃，但經過這兩年努力，我們基本已經追平。

空間太極計劃路線圖

在2020年到2025年，我們希望能夠做一個“太極二號”來驗證我們已經有了完全達到指標的測量能力。

到2025年到2033年，我們希望能夠真正做出到天上去測量引力波的衞星。