夢(mèng)想照進(jìn)現(xiàn)實(shí)

記者：能否介紹一下量子科學(xué)衛(wèi)星工程的總體情況？

潘建偉：量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的想法由來已久，量子通信能否實(shí)用化還需要遠(yuǎn)距離實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。國(guó)際上有很多團(tuán)隊(duì)都在研究，但當(dāng)時(shí)主要集中在地面。去年，我們從原理上已經(jīng)能夠支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)五百公里的光纖量子通信。如果要達(dá)到更遠(yuǎn)的距離，我們還要付出更大的努力。

2004年年底，我們驗(yàn)證了量子狀態(tài)在穿越大氣層的等效厚度之后還能很好地存活，也就是說我們發(fā)現(xiàn)上天這件事情是可以進(jìn)行的。在2005年相關(guān)的工作發(fā)表之后，我們向科學(xué)院相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)、相關(guān)部門提出來要開展進(jìn)一步的工作。到2007年，我們非常有幸地開始和王總合作，那時(shí)候開始合作做一些地面方面的相關(guān)工作。后來經(jīng)過了三年多的地面驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，2010年我們開始論證真正發(fā)射一顆衛(wèi)星的可能性，一年后正式立項(xiàng)，開始了量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的正式研制過程。在科學(xué)院先導(dǎo)專項(xiàng)的支持下，歷經(jīng)五年，從2011年到2016年，終于研制完成。

王建宇：參加這個(gè)工程我感到非常榮幸，我們希望把科學(xué)家的夢(mèng)想變成現(xiàn)實(shí)。2003年到2005年，他們提出了這個(gè)想法；2005年，科學(xué)家團(tuán)隊(duì)已經(jīng)做了大量的實(shí)驗(yàn)；2007年組織了他們的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)和我們工程團(tuán)隊(duì)，包括上海技術(shù)物理研究所、中科院光電技術(shù)研究所、還有小衛(wèi)星工程中心，一起進(jìn)行攻關(guān)，目的就是要驗(yàn)證能不能實(shí)現(xiàn)量子通信。

這個(gè)項(xiàng)目，我們除了實(shí)驗(yàn)室的攻關(guān)以外，大量的時(shí)間是在青海工作。經(jīng)過三年的努力，我們?cè)谇嗪：叄_實(shí)驗(yàn)證了用我們自己的技術(shù)實(shí)現(xiàn)量子通信是完全可以的。這顆量子衛(wèi)星是國(guó)際上的第一顆，我們之前的航天工作，都可以找到一些資料，但是這一次的工作完全沒有可以借鑒的，所有問題都要靠自己來解決。

龔建村：這顆量子衛(wèi)星實(shí)際上是我們空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)第三顆科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，也就是我們國(guó)家空間科學(xué)中心總體組織實(shí)施的第三顆衛(wèi)星。量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星是我們空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)，空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)是國(guó)務(wù)院第105次常務(wù)會(huì)議審議通過的中國(guó)科學(xué)院“創(chuàng)新2020”規(guī)劃。量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，無論是科學(xué)實(shí)驗(yàn)的一些想法、構(gòu)想，還是一些想要實(shí)現(xiàn)的科學(xué)目標(biāo)以及在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上的一些難度等等，都得到了我們國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)層高度的重視，以及無論是同行還是相關(guān)行業(yè)的廣泛關(guān)注。

我們這顆衛(wèi)星的科學(xué)目標(biāo)首先是進(jìn)行星地高速量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行廣義量子密鑰網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)等，以及在空間量子通信實(shí)用方面取得重大成果；第二是在空間尺度進(jìn)行量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)，這是開展空間尺度量子力學(xué)完備性檢驗(yàn)的一種實(shí)驗(yàn)。另外，我們工程目標(biāo)是研制一顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，研制生產(chǎn)一發(fā)長(zhǎng)征二號(hào)丁運(yùn)載火箭，在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心將衛(wèi)星發(fā)射到外空預(yù)定軌道；同時(shí)建設(shè)四個(gè)量子通信的地面站和一個(gè)隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)站，共同構(gòu)成天地一體化的量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

記者：此次量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的負(fù)責(zé)團(tuán)隊(duì)情況是怎樣的呢？

潘建偉：我屬于大總體的成員之一，但是我們打交道比較多的主要是衛(wèi)星系統(tǒng)、科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)、地面支撐系統(tǒng)，其他的是在大總體的統(tǒng)一協(xié)調(diào)之下開展工作的。最早是由中科大團(tuán)隊(duì)在地面基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)上提出來的，隨后我們和上海技物所，就是王院長(zhǎng)他們的團(tuán)隊(duì)密切合作、開展工作，隨后開展相關(guān)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。與此同時(shí)，在科學(xué)院的支持下，我們又和微小衛(wèi)星創(chuàng)建的研究院、成都的光電研究所合作。我們用的地面上的光學(xué)天線主要是他們?cè)谧觯焐嫌糜诎l(fā)射的光學(xué)終端是技物所在做。他們?cè)谟行лd荷方面有很多經(jīng)驗(yàn)，管理體系方面他們統(tǒng)一都在負(fù)責(zé)。當(dāng)然，上海光機(jī)所也在激光方面做了工作，構(gòu)成了我們這個(gè)體系。

其實(shí)這個(gè)項(xiàng)目不能簡(jiǎn)單叫做衛(wèi)星，我們建的是一個(gè)天地一體化的實(shí)驗(yàn)裝置。因?yàn)槲覀兏滴镔|(zhì)衛(wèi)星、實(shí)踐十號(hào)不一樣。它們只在天上接收數(shù)據(jù)，是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的整體，衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)室的大小基本就是這顆衛(wèi)星本身的大小。但我們這個(gè)實(shí)驗(yàn)是目前有史以來最大的一個(gè)量子實(shí)驗(yàn)室。我們?cè)谔焐虾偷厣隙加醒b置，地面還需要兩個(gè)地面站來進(jìn)行糾纏分發(fā)。這兩個(gè)地面站相距一千兩百公里，天上離地面是五百公里軌道。那么，我們這個(gè)實(shí)驗(yàn)室面積大概遍布在六十萬平方公里，是目前國(guó)際上最大的天地一體化量子實(shí)驗(yàn)室，之后的幾個(gè)天文臺(tái)也是我們的團(tuán)隊(duì)成員。

在實(shí)施這個(gè)工程之后，我越來越認(rèn)為個(gè)人是很渺小的，這顆衛(wèi)星能夠走到今天，源于我們有非常好的團(tuán)隊(duì)，至少有幾百人以上全身心地投入到這個(gè)項(xiàng)目里來。沒有他們，不可能有現(xiàn)在的成功發(fā)射。

王建宇：我和潘院士已經(jīng)合作了十年。這是一個(gè)非常典型的科學(xué)與工程的完美結(jié)合，因?yàn)榕嗽菏刻岢鲞@個(gè)思想，他們這個(gè)團(tuán)隊(duì)其實(shí)技術(shù)上也很強(qiáng)大，他們的實(shí)驗(yàn)室在短距離做過這個(gè)實(shí)驗(yàn)。但是要進(jìn)行天地一體化的實(shí)驗(yàn)，一個(gè)團(tuán)隊(duì)的力量可能就不夠了，所以我們科學(xué)院強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，比如光學(xué)、衛(wèi)星這些力量的同步，我的團(tuán)隊(duì)上海技物所和潘院士結(jié)合起來。兩個(gè)團(tuán)隊(duì)天天在一起，我們上海技物所把航天所有載荷研制相關(guān)的內(nèi)容全部開放。他們的團(tuán)隊(duì)幾乎天天在我們的實(shí)驗(yàn)室里，就像剛才潘教授說的。因?yàn)槲覀兒教煲v質(zhì)量體系、講保障，這些如果從頭建立是很難的。所以這樣就是科學(xué)家的團(tuán)隊(duì)與工程師的團(tuán)隊(duì)非常好的結(jié)合，到最后就是你中有我，我中有你。

記者：請(qǐng)問王總，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，遇到過怎樣的困難？

王建宇：困難很多，比如天地一體化的連通，我們從天上發(fā)下來是一顆一顆光量子，光量子的能量非常小，要發(fā)到地面的系統(tǒng)。我們整個(gè)的工程，一個(gè)是天上的衛(wèi)星，四個(gè)地面光學(xué)接收站，一個(gè)光學(xué)發(fā)射站，一個(gè)專門的衛(wèi)星接收系統(tǒng)用來進(jìn)行專門的、常規(guī)的衛(wèi)星收發(fā)，還有衛(wèi)星所用的發(fā)射、測(cè)控等我們說的六大系統(tǒng)。

其中對(duì)我們最新的挑戰(zhàn)實(shí)際上是科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)。這顆衛(wèi)星微弱的光發(fā)射下來，地面要收到，這就有一個(gè)對(duì)準(zhǔn)的問題。如果你無法對(duì)準(zhǔn)，發(fā)射有偏差，就無法接收到。還有我們光的編碼、量子的編碼，它叫光的偏振狀態(tài)。我們從上面發(fā)射下來后，不但要收到一個(gè)個(gè)光子，而且要把這個(gè)振動(dòng)方向、偏振方向非常完美地檢測(cè)出來。另外，在密鑰分發(fā)的時(shí)候，我們天上大概會(huì)有每秒鐘一億個(gè)光子，你要把發(fā)射到地面的光子檢測(cè)出來。如果哪個(gè)搞錯(cuò)了，你的接收就是無用的。所以第一個(gè)光子、每一個(gè)光子，不但需要把它檢測(cè)出來，而且要把它記牢是第幾個(gè)，這就需要非常精確的時(shí)間同步技術(shù)。另外，我們?cè)谶@里非常難的第二個(gè)實(shí)驗(yàn)——糾纏分發(fā)，需要儀器在天上專門產(chǎn)生所謂的雙胞胎的光子，這個(gè)儀器是我們中科大自己研制的，應(yīng)該說它在地面、在國(guó)際上也是有前途的，而且我們還把它搬到了天上。

記者：請(qǐng)問潘院士，量子衛(wèi)星成功發(fā)射后，倘若能夠成功獲得相關(guān)的科學(xué)成果，其意義是什么？

潘建偉：意義主要體現(xiàn)在三個(gè)方面，首先是信息安全方面的推動(dòng)，光纖如果做量子通訊的話，哪怕把當(dāng)今世界上所存在的最好的技術(shù)全用上，那么在千公里量級(jí)，大概每三百年只能送一個(gè)數(shù)。但是在我們這顆星里，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)之間，按照目前的指標(biāo)（當(dāng)然最后的指標(biāo)到底是多少還需要實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，畢竟地面的條件和天上的條件有所不同），大概一秒鐘可以傳送100K，隨著技術(shù)的進(jìn)步，將來可能就是1M，10M……這樣會(huì)極大地推動(dòng)量子通信實(shí)用化的進(jìn)程。未來要真正實(shí)現(xiàn)實(shí)用化的全球量子通信的話，還需要一個(gè)星座，由多顆衛(wèi)星組成的星座。如果一切順利，我們希望能夠通過五年的努力，突破星座的技術(shù)，那么十年后，我們可能有多顆量子通信衛(wèi)星在天上飛行，這會(huì)極大地改變我們?cè)谛畔踩矫婺壳胺浅１粍?dòng)的局面。第二，我們可以利用衛(wèi)星在大尺度范圍開展量子力學(xué)有效性的檢驗(yàn)。因?yàn)槲覀冎懒孔恿W(xué)是一個(gè)基礎(chǔ)理論，它從前在微觀的世界里適用，那么在宏觀的大尺度范圍里面，量子力學(xué)到底能在什么樣的情況下適用？比如它在這里面有一個(gè)非常有趣的概念叫量子糾纏，我們要檢驗(yàn)量子糾纏在宏觀尺度上的有效性。一旦我們擁有了遠(yuǎn)距離進(jìn)行量子通信技術(shù)之后，我們就獲取一些新的技術(shù)手段。第三，我們還做了一些有趣的實(shí)驗(yàn)，希望能夠測(cè)試把地面微觀量子態(tài)傳到太空中，通過千公里左右的量子隱形傳輸。

記者：這項(xiàng)技術(shù)具有保密的原理，和密鑰有什么關(guān)系？

王建宇：就是防止人家竊聽。什么意思呢？就是量子是不可分割的。通俗來講，我給你發(fā)密碼，我發(fā)了一萬個(gè)，你盡管只收到一百個(gè)，有九千九百個(gè)不見了，被別人拿走了，這都沒關(guān)系，他們拿走的東西我不作為密碼來用，我就用你收到的這一些。所以，你收到的是別人沒有的，是唯一的，這就是說量子具有不可分割性。但是破譯密碼者認(rèn)為自己本領(lǐng)大，把我發(fā)給你的密碼通通截下來，先拷貝一份然后再發(fā)給你，那你的密碼破譯者不就全都知道了嗎？這里就要提到量子的不可拷貝性，破譯密碼者雖然本事很大，但從量子力學(xué)原理來說，拷貝以后就不可能和原來的狀態(tài)一模一樣，也就是說這里面的誤差會(huì)增加。那么我們傳輸完成后，進(jìn)行比對(duì)，你收到一萬個(gè)，我拿出一千個(gè)進(jìn)行對(duì)比，看這里面的誤差，哪些是對(duì)的，哪些是錯(cuò)的。誤差超過某個(gè)值，我覺得這組密碼有可能有人竊聽，我就不用。如果這個(gè)誤差小于某個(gè)值則一定沒有人竊聽。量子密鑰就是用這個(gè)原理來保證分發(fā)過程中的安全。在傳輸過程中，它的量子力學(xué)物理原理保證了它不會(huì)泄密。當(dāng)然你收到以后有其他渠道人為地泄密，這個(gè)還是沒有辦法的。

記者：我們這次的實(shí)驗(yàn)都是在夜間開展，這兩年大多數(shù)時(shí)間可能都是這樣。是不是對(duì)夜間發(fā)射有實(shí)驗(yàn)要求？倘若是全天候的應(yīng)用，需要在哪些方面進(jìn)行改進(jìn)或加強(qiáng)？

潘建偉：為什么會(huì)挑選在夜間做實(shí)驗(yàn)?zāi)兀烤拖裎覀円谠虑蛏蟿澮桓鸩瘢枰隳茉诘厍蛏峡吹剑敲慈绻泻枚嗳送瑫r(shí)劃火柴，你就不知道這根火柴是誰劃的，而白天的太陽光很強(qiáng)烈。舉個(gè)例子，一個(gè)25瓦的燈泡，每秒鐘所發(fā)射出來的小顆粒的數(shù)目是百億個(gè)，也就是說在百億個(gè)里面你需要把正確信號(hào)挑出來，這個(gè)非常困難，所以在第一代實(shí)驗(yàn)里，我們選擇了晚上。在后續(xù)的地面實(shí)驗(yàn)中，我們需要白天也能做實(shí)驗(yàn)，因?yàn)樾l(wèi)星組網(wǎng)之后總有一個(gè)衛(wèi)星在太陽光下面，不可能所有衛(wèi)星都在太陽光背面。如果我們運(yùn)用到最新的技術(shù)，我們是可以很好地做全天時(shí)的實(shí)驗(yàn)的，但是現(xiàn)階段我們不能又來改造一顆新的衛(wèi)星。

王建宇：太陽同步軌道衛(wèi)星的特點(diǎn)，就是它在任何時(shí)刻都會(huì)在太陽的照耀之下。所以你在什么地點(diǎn)、什么時(shí)間發(fā)，發(fā)射到你這個(gè)上面它就是什么效果。我們現(xiàn)在這個(gè)衛(wèi)星要求設(shè)計(jì)是在午夜十二點(diǎn)鐘左右做實(shí)驗(yàn)。這個(gè)設(shè)備的光子當(dāng)然有亮度，從量子來說主要是不是偏振，當(dāng)然光還有一個(gè)非常重要的特點(diǎn)——它有波長(zhǎng)，所以我要在白天做實(shí)驗(yàn)的話，就要有能夠?yàn)V波的技術(shù)，把需要波長(zhǎng)的光，非常窄地濾出來。現(xiàn)在我們可能濾波是五個(gè)納米或者是三到五個(gè)納米，以后我們可以零點(diǎn)幾個(gè)納米，而這樣，我們就可以把其它大多數(shù)的光排除掉，再把它挑出來就容易了，這個(gè)技術(shù)我們現(xiàn)在正在地面實(shí)現(xiàn)，可能在下一輪的衛(wèi)星上就可以應(yīng)用到。

龔建村：提到白天和黑夜，這里有個(gè)詞一定要弄清楚，叫“全天時(shí)”，不是“全天候”。全天候講的是氣象轉(zhuǎn)變，晴天還是有云還是下雨。我在這里也補(bǔ)充一個(gè)例子：無論白天還是晚上，探測(cè)器在探測(cè)一個(gè)目標(biāo)時(shí)，最關(guān)鍵的核心目標(biāo)叫信噪比，信號(hào)和噪聲之間的比。那么在夜里，噪聲背景比較低，就可以實(shí)現(xiàn)非常暗弱的目標(biāo)的探測(cè)。而白天因?yàn)楸尘肮馓珡?qiáng)，它就會(huì)很難從背景光把我們想要探測(cè)的目標(biāo)識(shí)別出來。在衛(wèi)星的研制過程中，我們其他的研發(fā)團(tuán)隊(duì)在技術(shù)上不斷進(jìn)步，實(shí)際上，我們現(xiàn)在所掌握的技術(shù)水平，已經(jīng)超越了現(xiàn)在這顆新發(fā)射衛(wèi)星的水平。所以實(shí)現(xiàn)全天時(shí)，甚至部分天候能夠開展工作，在未來都是有可能的。

記者：量子衛(wèi)星發(fā)射成功之后，會(huì)有一些國(guó)際合作嗎？

潘建偉：會(huì)有國(guó)際合作，2011年時(shí)，奧地利科學(xué)院已經(jīng)來簽署協(xié)議。這一次，他們專門來到中科大上海研究院落實(shí)后面的合作。因?yàn)榭茖W(xué)上的東西總是有優(yōu)先級(jí)，當(dāng)時(shí)盡管有德國(guó)、意大利、加拿大同時(shí)提出了申請(qǐng)，最后我們決定還是選擇自己的老朋友，或者說合作得最早的奧地利團(tuán)隊(duì)，奧地利也是我當(dāng)年留學(xué)的地方，這里面可能有個(gè)人感情因素，所以先和他們合作。我們也和意大利、德國(guó)統(tǒng)一表示，我們和奧地利合作的那些成果發(fā)表之后，再和意德合作，他們表示同意，也非常希望能夠加入我們后續(xù)的星座等相關(guān)實(shí)驗(yàn)。目前，意大利的空間局、德國(guó)的航天部門，都在跟我們協(xié)商，我們和他們的合作會(huì)在一年多之后。意大利有幾個(gè)望遠(yuǎn)鏡、德國(guó)有望遠(yuǎn)鏡，奧地利也有幾個(gè)望遠(yuǎn)鏡，那么我們就能形成組網(wǎng)，開展相關(guān)工作。