量子卫星“墨子号”遭质疑 首席科学家如何回应？

　　8月16日1时40分，我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功发射世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”。“墨子号”在未来两年的在轨运行里，将会配合五个地面台站，首次在太空与地面之间开展远距离量子通信的实验研究，为建立一个极其安全的覆盖全球的通信网络奠定基础，同时将开展对量子力学基本问题的空间尺度实验检验，加深人类对量子力学自身的理解。

　　量子科学实验卫星“墨子号”发射成功

　　取名“墨子号”正是对这颗“世界首发”卫星的最好定义。“墨子是目前据文献记载第一个通过科学实验验证光线沿直线传播的科学家。从某种意义上，他也是第一个提出牛顿第一定律的人。”量子卫星首席科学家、中国科学院院士、中国科学技术大学教授潘建伟说。

　　同时，对于量子通信的质疑也纷至沓来。潘建伟说，他欢迎基于科学实验的严肃的质疑。同时他表示，尽管目前中国量子通信已走在世界前列，但在量子计算、量子模拟和量子精密测量等量子技术上还有很长的路要走，“面对量子技术上激烈的国际竞争，我们还需要非常艰苦的努力。”

　　访谈嘉宾潘建伟：量子卫星首席科学家、中国科学院院士、中国科学技术大学教授

　　潘建伟院士

　　研制过程：每一次困难都让人近乎绝望

　　潘建伟在接受《自然》专访时表示，量子卫星的首要任务是在卫星和北京地面站、卫星和维也纳地面站之间建立量子密钥分发。卫星将量子密钥分发到两个站点，通过比对最终建立绝对安全的量子密钥。拥有相同量子密钥的两个站可以把使用量子密钥加密的信息通过互联网、无线电话等经典通信方式传递而不用担心信息的泄露，这种通过量子卫星发射的密钥可以做到一次一密。从卫星研制到发射的四年多时间里，潘建伟团队遇到无数困难，每个困难都是一个坎，都有可能导致卫星发射失败。

　　凤凰资讯：量子通信的基本原理是什么？

　　潘建伟：量子通信的基本原理有两条：一是量子信息的传播媒介单光子不可分割，二是未知的光子状态是不可复制的。首先，我们的物质世界由很多基本元素颗粒组成。当太阳光照过来时，这束光是由一颗颗小颗粒组成，这种小颗粒就叫光子。光子是光的最小组成单元，具有不可分割性。第二，光子在真空中传播时有一种特性——偏振。它会沿着水平方向和垂直方向振动。这两种光子的振动状态分别用0和1表示，假设用0表示水平振动，用1表示竖直振动。根据量子力学的原理，在尚未被观察时，光子的状态处于0和1的叠加态，并不知道是0或是1。如果你尝试去观察它，就会对它有干扰，光子状态会被破坏，所以这种振动态是无法被精确复制的。

　　凤凰资讯：发射量子科学实验卫星的目的是什么？

　　潘建伟：发射量子科学实验卫星主要有三方面的目的，第一目的是做卫星和地面之间的量子通信；第二是能够通过卫星实现远距离的纠缠光子分发，测试量子纠缠现象，并在远距离地点之间对量子力学预言的非定域性进行检验。量子纠缠是量子世界中的一个典型现象，即一对处于量子纠缠态的粒子，即使相隔极远，当其中一个状态改变时，另一个状态也会即刻发生相应改变，这是量子非定域性的一种表现；第三个目的是做量子信息的远距离传送，学术的语言叫做量子隐形传态。之所以要做卫星和地面之间的量子通信的原因是，尽管我们现在用光纤上网，但量子通信的信号在光纤里传输一百公里之后，99%的信号都损耗掉了，那么如果想做一千公里的量子通信，哪怕是把目前全世界所有顶尖技术都用上，每三百年也才能传送一个信号，量子通信就没价值了。但是上天之后，通过量子卫星则可以传播几百K的密钥，大大提高量子保密通信的密钥分发数量。

　　凤凰资讯：在发射量子卫星之前，做了哪些前期工作？

　　潘建伟：量子科学实验卫星走到今天，其实是一个非常有趣的故事。其实第一个量子密钥分发的实验就是在自由空间上实现的，那时大概做了32厘米。九十年代，有美国的科学家又把量子密钥分发做到了100米、200米。但是在自由空间进行量子通信面临的问题是地面上有很多障碍物，光线会遇到阻挡，一旦被阻挡，不就传输不了了吗？所以后来大家就把主要精力放在了在光纤里进行量子通信上。

　　2000年，大家在光纤里的演示能够做到几十公里，距离一长就出现损耗，再做一百公里距离的量子通信就做不了了。这时，大家开始思考如何实现远距离的量子通信。2002左右，国内的学者以及一些国外的学者就开始做一些实验，试验远距离量子通信的可能性。2004年，我们通过实验证明光子在穿破大气层之后能很好地存活。2005年我们发表了论文，2006年就向中国科学院提出来我们要做量子科学实验卫星。2007年科学院给了一笔经费在地面上进行关键技术攻关和相关研究，我们和中科院上海技术物理研究所、中科院上海微小卫星工程中心和中科院光电技术研究所合作进行地面研究。经过几年的研究之后，团队通过很多实验证明上天的可行性，于是到2011年底，中科院正式立项支持量子科学实验卫星的项目。2016年6月，将近4年半时间我们把卫星研制出来了。

　　凤凰资讯：卫星研制到发射的过程中遇到了哪些技术难题？

　　潘建伟：中间遇到太多绝望的事，经历了无数艰辛和坎坷最后才能发射成功的。例如在信号上天的方式上，我们有很多种设计，一种是天上往地面发，一种是地面往天上发，还有一种是从地面往天上发，在卫星上做一个反射镜，把状态改变一下再发回地面。最后我们证明，还是从天上往地面发是最最方便的，但中间要进行很多次复杂的计算和论证。

　　还有探测器放到天上后，发现经过宇宙射线的轰炸，一个星期就死掉了。但我们需要机器能够工作两年，那就需要解决如何让探测器的寿命提高到能够工作一至两年的水平。

　　另外，量子通信在光学方面要求是非常高的，卫星快速飞行的同时必须保证地面的光学天线能够紧跟卫星的节奏，才能实现信号的准确接收。比如在一万米高空的飞机上，看到地上有一个储蓄罐，现在从飞机上投硬币，必须保证每个硬币都能够扔到储蓄罐中，这个技术发展是非常困难的。其次卫星发射的光信号非常微弱，我们必须解决微弱光线的接受问题。