曹原：仰望量子星 感叹祖国科技伟大也治好了我多年的颈椎病
特别荣幸，今天有机会跟大家聊一聊我们的夜空中最亮的星，量子科学实验卫星。
我首先让大家看一点大片，至于是什么大片，待会儿大家就知道了。我会简单地把这个墨子号科学实验卫星大概的情况给大家做一个介绍，之后基于我们墨子号的卫星我们干了很多事情，挑一个来给大家介绍一下，基于卫星的星地量子纠缠分发实验。
星空大片
我们来看这个图，我相信大家可能在一些媒体上也看到过，非常酷的一张图，这个就是我们的大片。自从干了量子卫星，干了星地的实验以后，可以说我们各个地面站的小伙伴基本上都变成了摄影爱好者，为什么呢，因为我们的量子量子卫星实在是太美了。
大家看看，这是我们在量子卫星过境的时候，在过境后多幅照片合成一个图，这个里面还能看到银河的背景，那天就是基本上绿色的光点就在天空中慢慢飞过，直到穿过银河。我们注意到这个里面这个绿光，你现在看到的是一条线，那是因为我们去拿相机拍摄的时候，由于在晚上拍摄，所以我们一般把曝光时间调到十秒到三十秒，所以从一个光点，因为曝光很长，所以它就是一条线，每一个十秒都拍一张照片，之后可以合成这样的照片。
这个绿线就是我们从墨子号上面发下来的绿色的信标光，红色的光就是我们地面站，射向墨子号的红色的信标光。我们每次实验都得是天上的卫星和地上的地面站两个东西对上眼以后，就是我们这两个光互相对上之后，我们这个光学链路就建立起来了，我们非常微弱的量子信号就可以通过这个链路，来进行我们量子通信这方面的实验。
这一幅照片是我们同事在另外一个地面站拍的，这个照片很有意思，当天天气并不是特别好，其实我们看到是有云的，我们原以为有云的情况下我们的实验就做不了了。后来我们发现由于天上的信标光和地面的信标光其实都挺强的，即使在薄云的情况下，这个信标光还是可以互相对准的，这个链路还是可以建立起来的。而且当时因为有这个云的效果，所以我们看基本上绿色的光就把那个云那一片照亮了，所以拍出来的效果还是非常科幻的。
这一张是我们新华社的记者，当时在兴隆站做报道的时候拍下来的。我们看到后面的这个，跟刚才第一张就不一样了，第一张是一个星空，后面这个实际上是，我们知道天文这个摄影爱好者很喜欢拍一个东西叫星轨。我们那个地球，你平时看星空的时候是看不到这个，因为地球的自转是很慢的，但是如果你拿相机非常好地把它长时间，晚上长达数几个小时的拍摄，最后把照片合成以后，你会发现天上的星星其实是在动的，那么这是一个相对，其实是我们的地球在自转，所以你看到是这种弧形的在动，所以新华社记者就把这个很漂亮星轨的背景和我们量子星过境的时候这两个图片合成在了一起。
这个也是阿里站另外的一个背景，也是星轨，你看我们这个对的就不是量子星了，它用的是我们地面站的红光，两个发射单机，对的是我们中间的，中间那个是不动的，有没有人知道中间的星是什么星？对那个就是北极星，因为它跟地轴的延长线是重合的，所以在地球自转的时候，只有中间的这颗星是不动的。那天也是专门用红色的信标光，对准这个北极星，然后背后是星轨的一个图象。
这个也是当时阿里站的三个发射单机，绿色的也是量子星过境的时候，这个也是在阿里站拍的，天气非常好的时候，这个星空我觉得你如果身临其境看星空，你会发现如果你有密集恐惧症的话，可能会很难接受。真的是被天上的星星亮瞎你的双眼，这个也是银河。这个也是我们另外一个地面站，我觉得这样的图片的意境其实是很好的，我感觉就好像我们红色的信标光就是我们的一把利剑一样，我们在对着星空亮剑，亮的我们人类科技的剑。这是一个动图，多张照片合成的，让大家感受一下量子星过境的时候，感受是什么样的。
所以给大家看了这么多图片什么意思，我想说的就是我们科学实验不只是非常枯燥地调设备、熬夜，或者是面对的都是冷冰冰的数据，其实我们科学实验也可以很美、很迷人。而且我记得第一次星地的连接建立完了以后，我记得当时发过一个微博，我在微博上这么写的：记得时不时仰望一下星空，提醒自己人类很渺小，也记得时不时地抬头仰望一下，看看我们的量子星，在感叹我们科技伟大的同时，也治好了我多年的颈椎病。
关于通信
量子卫星 为什么
首先我们为什么要搞量子卫星？我们知道无论是经典的通信还是我们现在讲的量子通信，只要是通信的话，一般来说有两种信道，一种是光纤这个信道，另外一种就是所谓自由空间。自由空间的意思就是，比如是我们的手机，这种无线电的通信，光通信也可以在自由空间，不只是在光纤里面去传，就是在空间里去传，比如说我们卫星，星地之间。
这两种信道其实没有说谁好谁坏，他们各自有各自的特点，我们希望的是把这两种方式结合在一起，最大程度地满足我们日常生活的需求。我们知道光纤信道有一个特点是什么呢，光纤信道如果用光做实验的话，它本身有一个叫做退相干的效应，就是说对光的状态的扰动会比较剧烈。再一个光纤它有一个固定的衰减，基本上这个衰减是一个乘起来的关系。所以当光纤做得越来越长的时候，那你这个光的衰减是非常可观的。
如果在我们的量子通信里面，如果用光纤来做的话，不同于经典通信，经典通信可以把光无限的功率放大，但是量子通信是不可以用这样经典的办法去放大的。所以当我们需要更远距离去传输的时候，比如说上千公里这种级别的时候，可能这个事情就办不了。
我们这个领域有一个著名的学者N. Gisin，他举过一个例子，即使我们用最好的单光子源，如果通过1000公里的这个光纤，没有任何中继的情况去传输的话，如果接收到另一头，我想获得一个光子需要多长时间？需要三百年，所以这个基本上就是完全不可能实现的事情。
量子卫星 怎么做
如果我们要实现全球的量子通信，就是更广域的量子通信，我们有没有更好的办法可以解决这个问题？肯定是有的，就是我们自由空间信道，我们来通过这个卫星平台来做中继。这个自由空间信道有什么好呢，我们在大气的环境下，它其实也有衰减，但是当我们做这个星地空间的时候，因为我们的垂直大气，它的密度是有梯度的衰减，也就是越到外面大气的成分越少，所以基本上我们知道垂直大气的等效厚度是10公里，再往外的外层空间其实就是接近真空的状态。在这样的信道里面，光子本身就可以不受任何干扰，它的衰减也几乎为零，所以利用这个优势，就可以利用卫星平台，来实现更广域的量子通信。
这个量子通信这个领域在自由空间这一块竞争也是非常激烈的，我们知道潘老师早年在欧洲的时候，跟他的导师在欧洲，回国以后在这个领域其实展开了非常激烈的竞争。这个是当时2012年的一篇报道，我们看下面他列的，基本上上面是欧洲的工作，下面是我们国内的工作。经过将近十年的发展，基本上你看我们做一个13公里的，他们也会去做一个更远的，我们做16公里的，他们做144公里，大家一直在竞争，从传输距离，从不管是密钥分发等等都在竞争。
我们现在可以很高兴地说了，最终我们在中国，在潘老师的团队，我们在这场竞争中，我们是占得了先机，我们领先欧洲，领先美国更早地发射这颗量子科学实验卫星。这个项目是在2011年底立项，大家看新闻就知道，去年8月16日的时候，墨子号就成功在酒泉基地发射，历时差不多是五年的研究时间。
关于卫星
量子卫星 天上
现在我们分开讲一下，因为我们量子科学实验卫星不同于其他卫星，它是一个通信卫星，而且是光通信。那么它是一个天地一体化的事情，不是说我将一颗卫星发到天上，下面就不用管了，它下面自己测就没事了，它是每一次实验每一次通信都要天地去配合，所以基本上分成两大块，一个是天上，天上的卫星我们有效载荷主要是四大有效载荷，一个是我们量子实验与处理系统，它是负责整个卫星上面的各种实验的数据传输、实验任务的分配，下面我们有另外三个载荷，一个是量子纠缠源，如果我做量子密钥分发，我从卫星到两个地面站去做，我天上需要有这么一个量子光源。
你有了量子光源还不够，你需要卫星跟地面去对接，所以我们有一个量子密钥通信机和量子纠缠发射机，这两个单机实际上都是我们叫光学天线也好或者叫望远镜也好，你可以把它理解成一个装在卫星上的望远镜，它负责把光信号发向地面。
这是我们的一些载荷的实物照片，这边的大块头就是我们量子密钥发射机，这个桶状的东西就是一个大口径的望远镜。它下面的这个盒子里面，就集成了很多比如说我们做密码的光子源，还有里面的这个跟踪设备，就是说你的光打下去和地上的光打上来，我要识别它，然后捕获它。根据反馈实时要对准。这边就是我在项目里主要负责的量子纠缠源，听起来很神秘，但实际上它也是具体的由光学、电子学的设备组合成的。
这么一个光源当时的技术难度也是很大的，因为从来没有人发过类似的产品上天，我们把这个东西从实验室的光学平台里头，搬到这个上面，一个方面就是光学要很精密，它的稳定性要非常好，再一个各种电子学的设备在里面，它要抗振动、抗真空，各种环境实验，所以这个其实也是一个非常难的事情。这是我们整个量子卫星在总装，就是外壳罩起来之前，所有载荷放在一起的照片，这个已经是最后的产品。
我们可以看到这里还有一个，这个就是另外一个发射单机，纠缠源就是在这几个盒子里面放着。我今天还带了一个模型实物，大家可以简单看一下。
我们这颗卫星还属于微小卫星，就是说整体重量大概在一吨左右，这是我们最后上天的卫星大概什么样子，这两个翅膀大家都知道，这是太阳能的电池板，这个卫星在天上自主轨道里飞以后，它所有的能源，这里面有激光器、姿态控制，所有的能源，电的能源、热控的能源，全部是靠这两个太阳能板来给它充电，里面有蓄电池。大家可以看到这个黑色的桶，就是我们刚才讲的其中一个发射机，这个是另外一个，这个跟它的结构不太一样，它这个是两维去旋转的。基本上它在天上飞的时候，卫星整个姿态，让一个发射机对准一个地面站，这个因为它可以两维自由旋转，他去寻找另外一个地面的目标。
量子卫星 地下
另外一个很重要的就是我们地面的系统，地面的系统我们叫做科学应用系统。什么意思呢，就是我们这颗卫星最主要的目的还是要做科学实验，做一些演示。我们地面一共大概总的还说是有五个地面站，一个在北京，其实它的位是在河北的兴隆县，离北京很近，那里就是我们国家天文台有一个亚洲最大光学的实验基地，那里面有九台性能非常好的光学望远镜。我们量子星是用其中的一个，口径一米的地面站作为我们的地面接收系统。
乌鲁木齐南山我们有一个自主兴建的实验站，德令哈就是在青海省，离青海湖大概两百多公里，我们有一个德令哈兴建的地面站。阿里的这个是我们五个地面站里面海拔高度最高的，阿里的地面站海拔基本上有5100多，可能对于很多人没有上过高原的人来说，还是很有挑战性的。但是我们实验的小伙伴，我们在阿里站的那些同学包括老师，去年几乎大半年的时间都坚持在5100米的阿里站，条件也是很艰苦的。另外一个站就是昆明的，我们是改造了他们那个站里面一米八的望远镜，大概就是我们这么几个地面站。
我们基本上地面站景色还是非常好的，我建议大家以后去旅游，你比如说去云南丽江旅游，我就觉得并不一定非要逛古城，也不是很远，去地面的天文台去看一看，我觉得非常有意义。包括河北兴隆是离北京很近的，如果大家有机会去北京玩，可以去河北兴隆这一个亚洲最大的光学地面站去参观。
量子卫星 三大功能
我就介绍一下我们现在墨子号有哪些神通，基本上有三大任务，第一个就是刚才刘洋老师已经提到的，我们要做高速的星地量子密钥分发。比如说我们在北京做一次密钥分发，卫星飞到乌鲁木齐的时候，再做一次密钥分发，相当于我把卫星当成一个中继，这样北京和乌鲁木齐相隔千公里，两个地方就可以共享这个安全密钥，这是第一个。
第二个我们要做星地量子纠缠分发，这个分发跟刚才不一样，就是卫星要同时对准两个地面站，把刚才提到的纠缠光源分别发给两个地面站。这个最主要的意义，是对我们量子力学的基本问题去展开一些科学上的探讨研究。第三个实验就用到我们阿里站，这个实验跟前面两个实验又不太一样，前面两个实验都是光源在天上，这个实验由于我们光源更复杂，没有办法搬上去，所以这个实验我们叫量子传态实验，是从阿里往卫星上发。一共是这三个实验。我们整个的量子科学实验卫星的这个项目，也不是科大一家完成的，因为有卫星、有地面站、有天文台，所以基本上我们是多家单位联手最后把这个事情干成的。
最后我们这个量子卫星还要干一件感觉很了不起的事情，我们现在也在进行中，我们这个可以甚至实现不光是中国境内千公里，我们通过卫星，卫星可以绕地球到处跑，我们甚至可以通过卫星，建立一个洲际密钥分发。我们下一步就要跟维也纳，奥地利维也纳的因斯布鲁克，潘老师最早在国外的老师，跟他们的团队去合作来演示一个这样的实验。就是在北京，和维也纳建立一套绝对安全共享的密钥。下面这个照片就是我们外国的同行，在地面站拍到的类似于我们自己拍到的这个光学对接时候的照片。
量子卫星 量子分发
下面就给大家从另外一个角度来讲一讲我们要做的实验，星地的量子分发到底是干什么用的。
提到量子纠缠，最早就是从爱因斯坦说起，爱因斯坦当时对量子力学很不满意，他觉得量子力学这个描述是不好的，于是他们就发表了一篇文章，我们现在叫EPR佯谬，就是三个作者，爱因斯坦跟另外两个人，他们的名字的首字母叫EPR。他就是说用了一个很有意思的词，你看这样的纠缠态，就是说很不可思议的，他当时用的词“Spooky Action at a Distance”，意思就是鬼魅似的远距作用。所以通过这样一个假想，想要去反驳量子力学。
这里面很重要的一个概念就是一个核心是什么呢？就是量子纠缠其实体现了不同于我们平常生活中的一个关联，我们叫量子关联，量子关联的本质是什么，它奇怪在哪里。谈到这个关联，我们先想象一下我们现实生活中，这个关联是什么样的关联。我们现实生活中所有的关联，是不是基本上可以分为这两大类，第一个英文叫Common cause，中文翻译没有什么特别好的，你可以叫共同历史或者说共同的一个原因。
这个什么意思呢？举个例子大家就懂了，我们看打雷，我们总是先看见闪电然后听到雷声，为什么呢，那是因为无非就是光的传播速度比声音传播速度更快，所以这个看起来是一种关联，我们总是这样，总是先看到闪电再听到雷声，它其实是他们是同一个事物产生的，只不过由于不同纬度的物理性质不同，有了一个时间上的先后。
那么另外一种关联是什么，就是因果关联，就是生活中最常见的因果关联，一个事情发生导致另外一个事情。这个例子也很形象，我们知道潮汐是怎么产生的，是月亮相对于地球不同的位置，由于它们两个之间的相互引力不同，带来了潮汐。由于不同的位置，由于引力作为一个媒介，导致了潮汐现象的发生。所以这是一个很典型的因果关联，而且因果关联还有一个很重要的性质，爱因斯坦告诉我们因果关联所有的关联，它的传播速度是不可以超光速的。
也就是说如果我两个随机事件在两个地方，他们产生的时刻，足够的同时，同时性足够地强，以至于他们这个，比如说它在t1时刻产生，这个时间差以至于什么呢，即使用光速也不可能从这边传到这边。我们就可以断定这两个随机的事件，一定是没有关联的，要不然就可以用因果的关联来解释。所以我们基本上可以想，还有没有人举反例，反正我是想了很久，基本上我在现实生活中，在日常生活中所有的关联都可以归为这两个，我找不到第三种，能想象得出来有什么样别的类型，就是描述的观点。所以我就想，我们经常想我能不能用日常生活中的这两类关联，去解释量子纠缠，解释量子纠缠所谓的相互作用这种关联呢？
终于1964年的时候，有一个很伟大的科学家贝尔，本身是欧洲CERN实验室的工程师，但是他在一次度假的时候，他对物理的兴趣从来没有减退过。他看到以前的这方面学者的文章，突破性地提出了一个贝尔不等式，他根据爱因斯坦的定域实在论，根据经典力学里面的假设，他推导出了一个不等式，这两个不等式告诉我们什么意思？
如果我们想用日常生活中经典力学里已有的观点，去解释量子纠缠态的相互作用的话，一定要满足这两个，你会发现一定会满足这两个不等式。第二个是我们实验上经常用的，就是这个不等式我们这种统计的测量，对两个纠缠光子进行统计的测量之后，如果是小于等于2，那就说明这个应该就是经典的关联模型可以解释的，但如果是破坏了这个不等式，那就是说明我们已有的这个解释关联的模型，在量子的世界里，在量子纠缠里就不适用了，就是很遗憾。所以到目前为止，所有的贝尔不等式的检验实验，都发现破缺了这个不等式，那就意味着这个纠缠确实是特殊的。
所以我们现在就是在卫星平台，利用这个卫星又做了一遍这个事情，去测量两个纠缠光子的关联，我们用的也是这个贝尔不等式，这也是我们最新的结果，我们就发现还是大于2。就是说明纠缠的这个关联真的是很奇怪，不是我们用日常生活中经常接触到的两个关联。这种实验也是第一次利用卫星平台如此大尺度的空间，大于千公里级的这个空间，再一次验证了量子力学的正确性。
但是这个结果实际上我刚才也讲了，它并没有告诉我们量子关联的本质是什么，量子纠缠的本质是什么，关于它的本质，到目前为止学术界仍然是一个比较开放的问题，大家在这个方面的探索和研究还在不断地进行当中。认识了它，其实也是我们对所身处的世界，对于大自然的客观的规律有了更深刻的认识。所以我看下面今天也有很多中学生、小朋友们，所以我也希望因为这是一个开放的问题，大家还有一代一代的科学家还有科研工作者都在试图努力地去解释这个事情，理解我们的世界，我也希望大家以后可以投身到这个科研实验当中，谢谢大家。
（本文是墨子沙龙出品的量子系列科普之一，观察者网获授权转载）
