夢想照進現實

記者：能否介紹一下量子科學衛(wèi)星工程的總體情況？

潘建偉：量子科學實驗衛(wèi)星的想法由來已久，量子通信能否實用化還需要遠距離實驗來驗證。國際上有很多團隊都在研究，但當時主要集中在地面。去年，我們從原理上已經能夠支持點對點五百公里的光纖量子通信。如果要達到更遠的距離，我們還要付出更大的努力。

2004年年底，我們驗證了量子狀態(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)現上天這件事情是可以進行的。在2005年相關的工作發(fā)表之后，我們向科學院相關領導、相關部門提出來要開展進一步的工作。到2007年，我們非常有幸地開始和王總合作，那時候開始合作做一些地面方面的相關工作。后來經過了三年多的地面驗證實驗，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，開始了量子科學實驗衛(wèi)星的正式研制過程。在科學院先導專項的支持下，歷經五年，從2011年到2016年，終于研制完成。

王建宇：參加這個工程我感到非常榮幸，我們希望把科學家的夢想變成現實。2003年到2005年，他們提出了這個想法；2005年，科學家團隊已經做了大量的實驗；2007年組織了他們的科學家團隊和我們工程團隊，包括上海技術物理研究所、中科院光電技術研究所、還有小衛(wèi)星工程中心，一起進行攻關，目的就是要驗證能不能實現量子通信。

這個項目，我們除了實驗室的攻關以外，大量的時間是在青海工作。經過三年的努力，我們在青海湖邊，確實驗證了用我們自己的技術實現量子通信是完全可以的。這顆量子衛(wèi)星是國際上的第一顆，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)星實際上是我們空間科學先導專項第三顆科學實驗衛(wèi)星，也就是我們國家空間科學中心總體組織實施的第三顆衛(wèi)星。量子科學實驗衛(wèi)星是我們空間科學戰(zhàn)略性先導專項，空間科學先導專項是國務院第105次常務會議審議通過的中國科學院“創(chuàng)新2020”規(guī)劃。量子科學實驗衛(wèi)星，無論是科學實驗的一些想法、構想，還是一些想要實現的科學目標以及在技術實現上的一些難度等等，都得到了我們國家領導層高度的重視，以及無論是同行還是相關行業(yè)的廣泛關注。

我們這顆衛(wèi)星的科學目標首先是進行星地高速量子密鑰分發(fā)實驗，并在此基礎上進行廣義量子密鑰網絡實驗等，以及在空間量子通信實用方面取得重大成果；第二是在空間尺度進行量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)實驗，這是開展空間尺度量子力學完備性檢驗的一種實驗。另外，我們工程目標是研制一顆量子科學實驗衛(wèi)星，研制生產一發(fā)長征二號丁運載火箭，在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心將衛(wèi)星發(fā)射到外空預定軌道；同時建設四個量子通信的地面站和一個隱形傳態(tài)實驗站，共同構成天地一體化的量子科學實驗系統。

記者：此次量子科學實驗衛(wèi)星的負責團隊情況是怎樣的呢？

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、科學應用系統、地面支撐系統，其他的是在大總體的統一協調之下開展工作的。最早是由中科大團隊在地面基礎實驗上提出來的，隨后我們和上海技物所，就是王院長他們的團隊密切合作、開展工作，隨后開展相關的科學實驗。與此同時，在科學院的支持下，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天線主要是他們在做，天上用于發(fā)射的光學終端是技物所在做。他們在有效載荷方面有很多經驗，管理體系方面他們統一都在負責。當然，上海光機所也在激光方面做了工作，構成了我們這個體系。

其實這個項目不能簡單叫做衛(wèi)星，我們建的是一個天地一體化的實驗裝置。因為我們跟暗物質衛(wèi)星、實踐十號不一樣。它們只在天上接收數據，是一個相對獨立的整體，衛(wèi)星實驗室的大小基本就是這顆衛(wèi)星本身的大小。但我們這個實驗是目前有史以來最大的一個量子實驗室。我們在天上和地上都有裝置，地面還需要兩個地面站來進行糾纏分發(fā)。這兩個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，我們這個實驗室面積大概遍布在六十萬平方公里，是目前國際上最大的天地一體化量子實驗室，之后的幾個天文臺也是我們的團隊成員。

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

王建宇：我和潘院士已經合作了十年。這是一個非常典型的科學與工程的完美結合，因為潘院士提出這個思想，他們這個團隊其實技術上也很強大，他們的實驗室在短距離做過這個實驗。但是要進行天地一體化的實驗，一個團隊的力量可能就不夠了，所以我們科學院強強聯合，比如光學、衛(wèi)星這些力量的同步，我的團隊上海技物所和潘院士結合起來。兩個團隊天天在一起，我們上海技物所把航天所有載荷研制相關的內容全部開放。他們的團隊幾乎天天在我們的實驗室里，就像剛才潘教授說的。因為我們航天要講質量體系、講保障，這些如果從頭建立是很難的。所以這樣就是科學家的團隊與工程師的團隊非常好的結合，到最后就是你中有我，我中有你。

記者：請問王總，在整個實驗過程中，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。我們整個的工程，一個是天上的衛(wèi)星，四個地面光學接收站，一個光學發(fā)射站，一個專門的衛(wèi)星接收系統用來進行專門的、常規(guī)的衛(wèi)星收發(fā)，還有衛(wèi)星所用的發(fā)射、測控等我們說的六大系統。

其中對我們最新的挑戰(zhàn)實際上是科學應用系統。這顆衛(wèi)星微弱的光發(fā)射下來，地面要收到，這就有一個對準的問題。如果你無法對準，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，不但要收到一個個光子，而且要把這個振動方向、偏振方向非常完美地檢測出來。另外，在密鑰分發(fā)的時候，我們天上大概會有每秒鐘一億個光子，你要把發(fā)射到地面的光子檢測出來。如果哪個搞錯了，你的接收就是無用的。所以第一個光子、每一個光子，不但需要把它檢測出來，而且要把它記牢是第幾個，這就需要非常精確的時間同步技術。另外，我們在這里非常難的第二個實驗——糾纏分發(fā)，需要儀器在天上專門產生所謂的雙胞胎的光子，這個儀器是我們中科大自己研制的，應該說它在地面、在國際上也是有前途的，而且我們還把它搬到了天上。

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

潘建偉：意義主要體現在三個方面，首先是信息安全方面的推動，光纖如果做量子通訊的話，哪怕把當今世界上所存在的最好的技術全用上，那么在千公里量級，大概每三百年只能送一個數。但是在我們這顆星里，點對點之間，按照目前的指標（當然最后的指標到底是多少還需要實驗驗證，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，隨著技術的進步，將來可能就是1M，10M……這樣會極大地推動量子通信實用化的進程。未來要真正實現實用化的全球量子通信的話，還需要一個星座，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，那么十年后，我們可能有多顆量子通信衛(wèi)星在天上飛行，這會極大地改變我們在信息安全方面目前非常被動的局面。第二，我們可以利用衛(wèi)星在大尺度范圍開展量子力學有效性的檢驗。因為我們知道量子力學是一個基礎理論，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，量子力學到底能在什么樣的情況下適用？比如它在這里面有一個非常有趣的概念叫量子糾纏，我們要檢驗量子糾纏在宏觀尺度上的有效性。一旦我們擁有了遠距離進行量子通信技術之后，我們就獲取一些新的技術手段。第三，我們還做了一些有趣的實驗，希望能夠測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：這項技術具有保密的原理，和密鑰有什么關系？

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，你盡管只收到一百個，有九千九百個不見了，被別人拿走了，這都沒關系，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。但是破譯密碼者認為自己本領大，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增加。那么我們傳輸完成后，進行比對，你收到一萬個，我拿出一千個進行對比，看這里面的誤差，哪些是對的，哪些是錯的。誤差超過某個值，我覺得這組密碼有可能有人竊聽，我就不用。如果這個誤差小于某個值則一定沒有人竊聽。量子密鑰就是用這個原理來保證分發(fā)過程中的安全。在傳輸過程中，它的量子力學物理原理保證了它不會泄密。當然你收到以后有其他渠道人為地泄密，這個還是沒有辦法的。

記者：我們這次的實驗都是在夜間開展，這兩年大多數時間可能都是這樣。是不是對夜間發(fā)射有實驗要求？倘若是全天候的應用，需要在哪些方面進行改進或加強？

潘建偉：為什么會挑選在夜間做實驗呢？就像我們要在月球上劃一根火柴，需要你能在地球上看到，那么如果有好多人同時劃火柴，你就不知道這根火柴是誰劃的，而白天的太陽光很強烈。舉個例子，一個25瓦的燈泡，每秒鐘所發(fā)射出來的小顆粒的數目是百億個，也就是說在百億個里面你需要把正確信號挑出來，這個非常困難，所以在第一代實驗里，我們選擇了晚上。在后續(xù)的地面實驗中，我們需要白天也能做實驗，因為衛(wèi)星組網之后總有一個衛(wèi)星在太陽光下面，不可能所有衛(wèi)星都在太陽光背面。如果我們運用到最新的技術，我們是可以很好地做全天時的實驗的，但是現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，就是它在任何時刻都會在太陽的照耀之下。所以你在什么地點、什么時間發(fā)，發(fā)射到你這個上面它就是什么效果。我們現在這個衛(wèi)星要求設計是在午夜十二點鐘左右做實驗。這個設備的光子當然有亮度，從量子來說主要是不是偏振，當然光還有一個非常重要的特點——它有波長，所以我要在白天做實驗的話，就要有能夠濾波的技術，把需要波長的光，非常窄地濾出來?，F在我們可能濾波是五個納米或者是三到五個納米，以后我們可以零點幾個納米，而這樣，我們就可以把其它大多數的光排除掉，再把它挑出來就容易了，這個技術我們現在正在地面實現，可能在下一輪的衛(wèi)星上就可以應用到。

龔建村：提到白天和黑夜，這里有個詞一定要弄清楚，叫“全天時”，不是“全天候”。全天候講的是氣象轉變，晴天還是有云還是下雨。我在這里也補充一個例子：無論白天還是晚上，探測器在探測一個目標時，最關鍵的核心目標叫信噪比，信號和噪聲之間的比。那么在夜里，噪聲背景比較低，就可以實現非常暗弱的目標的探測。而白天因為背景光太強，它就會很難從背景光把我們想要探測的目標識別出來。在衛(wèi)星的研制過程中，我們其他的研發(fā)團隊在技術上不斷進步，實際上，我們現在所掌握的技術水平，已經超越了現在這顆新發(fā)射衛(wèi)星的水平。所以實現全天時，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，會有一些國際合作嗎？

潘建偉：會有國際合作，2011年時，奧地利科學院已經來簽署協議。這一次，他們專門來到中科大上海研究院落實后面的合作。因為科學上的東西總是有優(yōu)先級，當時盡管有德國、意大利、加拿大同時提出了申請，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隊，奧地利也是我當年留學的地方，這里面可能有個人感情因素，所以先和他們合作。我們也和意大利、德國統一表示，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)的星座等相關實驗。目前，意大利的空間局、德國的航天部門，都在跟我們協商，我們和他們的合作會在一年多之后。意大利有幾個望遠鏡、德國有望遠鏡，奧地利也有幾個望遠鏡，那么我們就能形成組網，開展相關工作。