请点击链接观看视频：【有一说一·量子系列科普之三】漫谈夜空中最亮的星——我们是怎么用量子的方式进行安全的信息传输的

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。

前面刚才几个演讲人给大家介绍了很多量子物理的干货，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。

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。

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的设备、还有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。

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。

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（34：16），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（33：12）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（32：50）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（31：56）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（31：37）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。