「墨子號」——漫漫追星路

文章整理自墨子沙龍「未來趨勢：量子網際網路」活動（2020年8月25日）印娟教授的報告。

墨子號是全球首顆量子科學實驗衛星，是十二五期間立項的四顆先導衛星中的一個。它在2011年由中科院牽頭研製，於2016年8月16號在酒泉衛星發射中心發射，並從此進入了公眾的視野。算一下研製周期，墨子號的研製總共大概花費了五年的時間。衛星發射以後，首先進行了四個月的在軌測試，2017年的1月18號正式交付使用，供科學家進行科學實驗。墨子號設定的使用壽命是兩年，因此我們需要在兩年內完成全部預定的科學實驗。但實際上，在衛星發射之後一周年的2017年的8月，我們就已經完成了所有的實驗。後續的這三年，我們一直都在開展相應的拓展實驗。

從衛星發射至今又過了四年，加上衛星研製的五年，就有點類似於上海小朋友的九年義務教育體制：五年的小學、四年的中學。很自然的，有九年義務教育，也就有學齡前的六到七年的時間。

2012年底，《自然》雜誌以「空間量子競賽」為題，介紹了我們國家和歐洲團隊在自由空間量子通信方面的競爭。然而，最早在2005年，我們就已經在合肥開展了首個13公裡的糾纏分發的實驗。也就是說從2005年到2011年，再到2020年，它相當於經歷了學前兒童、小學和初中，如今已經成長為一名高中生。在整個這樣一個成長過程中，它到底解鎖了哪些這樣的技術，以及它又取得了哪些很有顯著性的成果？這就是我今天要跟大家介紹的東西。

首先我還是要跟大家介紹一下量子基本概念。量子是構成物質的最基本單元，它是能量的最基本的攜帶者。日常生活中的光源，比如燈、太陽等，你看到的是一個整體的亮度，如果把這樣的能量細分，分到最後無法再分割的時候，就是一個光子。不可分割的這樣一個光子，就是一個量子；同樣，原子、分子也是量子的一種表現形式。只需記住一點，量子是不可分割的。此外，當用某個量子來做量子通信的一些實驗時，從理論上就不可能再找到一個跟它一模一樣的量子，讓我能夠偷偷在旁邊去觀測它或者是幹任何其他事情，所以它是唯一的。

量子還有一個特性：相干疊加性。經典比特可以是在0或者1中的某一個狀態，而量子比特可以處在|0> +|1>的混合態，可以以不同的比例混合。如果你去對它進行任何的測量的時候，其狀態就會塌縮，所以它是唯一的。打一個簡單的比方：一個飛速旋轉的硬幣，在被拍下來之前，你不知道他處於正面還是反面；如果去拍它，它會按照一定的概率塌縮，但那個塌縮後的狀態並非其原始的飛速旋轉的狀態。所以對量子的單次測量不能夠得到其全部信息，因而就不能夠重新構造，也就不能夠被複製。

對於單粒子的體系，結合前面所述的量子的不可分割性、測不準特性、以及不可克隆性，就形成了在量子密鑰分發裡安全性的基礎。而對於雙粒子的體系的相干疊加性，會形成一個更有趣的性質——量子糾纏。

我是「墨子號」量子科學實驗衛星項目種，負責製造天上量子糾纏源的主任設計師，因為後面的介紹會涉及量子糾纏，所以在這裡先介紹一下處於量子糾纏態的兩個量子會有哪些特性。大家對薛丁格的貓有一定的概念，這個貓可能會處於活的狀態，或者是死的狀態，或者是半死不活的狀態。但是對於其他的量子，可能會有很多種能夠塌縮的狀態，比如六面的骰子。當兩個骰子處於糾纏狀態的時候，如果對其中一個進行測量，假如說它處在3的狀態，那麼不管另外一個骰子相距多遠，哪怕是跑到月球上去，它也會同時立刻的塌縮到3的狀態。這種現象即為量子糾纏，在當時被愛因斯坦稱為遙遠地點之間的詭異互動。

量子糾纏這樣一種無論分隔多遠都有關聯的現象，可以用做量子通信和量子隱形傳態。此外可以用來檢驗量子力學的基本的概念，同時也是可升級量子信息處理當中的核心資源。

量子通信是量子信息領域最接近實用化的一個方向。而我們說到通信，就希望地球上不管是什麼地方的人，都有可能建立這樣一個通信。所以向更遠距離的拓展，一直是量子通信的很重要的研究方向。

在技術路線上，一開始有兩條路：光纖量子信道和自由空間量子信道。光纖信道是一個很成熟的一個概念，現在的家用光纖網絡，都已經可以入戶了。而且光纖技術也很成熟，比如說其損耗，每公裡只有0.2dB。如果短距離使用的話，比如10公裡、20公裡，它可能只會衰減一半的能量，這是一個很好的方式。但是它的損耗隨著距離指數衰減，在20公裡的衰減可能很小，但是如果長度達到1000公裡時，0.2dB乘以1000公裡就是200dB。200dB是什麼概念？如果一個光子經過傳輸，最後剩下的概率是10-20，那麼對於現在的光源系統，我需要花1000年才能傳一個光子過去，所以光纖量子信道就沒有辦法使用。這是光子的固有損耗帶來的問題。除此之外，光纖還會跟環境有一些耦合，它使得量子態，包括前面提到的量子糾纏，會有退相干的效應，所以它就很難向更遠的距離發展。而光纖信道要做得較長，就會存在這樣的問題。但是也有很多的同行在做這方面的事情，因為畢竟在某些場合，比如區域網，用起來還是很方便的。

所以我們的方向就選擇了自由空間的量子通信，因為近地面的大氣層等效厚度大概在八公裡左右，太空的外面都是基本上是沒有損耗的，而且自由空間幾乎沒有退相干效應。所以從我進入這個領域開始，所從事的方向就是基於空間平臺的自由空間量子通信。

我們團隊的實驗室是在2001年開建的，那時每一個器件的搭建，尤其是光路的穩定，都磕磕絆絆的，每一天都需要維護。這個時候不可能直接在衛星上做實驗，所以我們要把這個基於空間平臺的「瘋狂」設想，分成好幾步走。

2003年，提出自由空間量子通信的構想

2004年，實現13公裡自由空間量子糾纏和密鑰分發[PRL 94, 150501 (2005)]

2009年，實現16公裡自由空間量子隱形傳態

[Nature Photonics 4, 376 (2010)]

首先第一步，由於光量子不能放大、不能克隆，而且傳輸損耗非常大，所以需要讓其先在大氣中傳一段，讓我看到它的存在。在一開始，我們做了一個13公裡，一個16公裡的實驗，都是去驗證、檢驗這樣一個量子態，在穿過等效大氣十公裡之後，它的量子態是否依然能夠保持有效。

第一步的實驗只是保證了在大氣中短距傳輸的損耗是我們能夠接受的範圍，但這樣的一個狀態，還是沒有辦法保證上衛星。而與衛星之間的傳輸，除了要考慮更高光的損耗之外，還需要考慮發射的光張角的變化。此外，我們還需要保證光束對衛星的跟瞄，這對實驗的穩定性提出了很高的要求。

2011年，實現100公裡級自由空間量子隱形傳態以及雙向量子糾纏分發[Nature 488, 185 (2012)]

驗證在高損耗星地鏈路中進行量子通信的可行性

2012年，實現星地量子通信的全方位地基驗證

[Nature Photonics 7, 387 (2013)]

驗證各種衛星運動姿態下進行星地量子通信的可行性

所以第二步，我們選擇在青海湖模擬星地真實鏈路，因為其滿足我們對實驗地點的要求，即100公裡目視可及。我們模擬了衛星運動的許多模式，比如先讓轉臺在屋裡定點轉動，雷射器在遠處跟瞄；然後讓轉臺在汽車、吊車上轉動。或者讓氣球把吊籃吊上去，再將氣球升空，做垂直維度的跟瞄。抑或是在飛機上，做對飛機的跟瞄，以模擬飛行速度很快的情況。

高靈敏的能量解析度：可以從地球上探測到在月球上點燃的一根火柴

通過這一系列來模擬衛星姿態的怪招，我們解鎖了一些關鍵技術，比如說高精度的捕獲跟瞄技術，這意味著我們在衛星過頂的時候，可以自動捕獲上，以及高靈敏的能量分辨探測技術，還有更重要的光源技術。從最初的實驗，到這一步實驗結束，光源亮度已經提升了100倍，為後續衛星的立項直接奠定了非常牢固的基礎。

上述的實驗是在2011年左右結束。前面的一系列實驗成果在11月份墨子號的立項論證過程是在起到了至關重要的作用。在立項論證時，我們說我們的基本目標是進行衛星和地面的量子密鑰分發，拓展任務是進行空間尺度的量子力學非定域性檢驗，以及地面和衛星的量子隱形傳態。但在整個研製的過程中，我們把這三大任務並列當成了是我們必須要做的事情。因為我們在光源、鏈路和探測方面都做到了極致，所以能夠在2017年就把所有的科學目標完成。

舉一個簡單的例子，因為這是一個科學衛星，我們可以為了科學目標去做必要的調整。這顆衛星最早其實設計在600公裡的軌道運行，而實際運行在500公裡軌道。這個降軌在衛星的體系裡面，屬於一個非常重大的調整。而調整的原因是什麼呢？原因在於我們的拓展目標。拓展目標是地到天的過程，就是源在地上，探測器在天上。但我們在研製的過程中發現，探測器就算不開機，在天上受到質子的輻照之後，會有位移效應，它的噪聲會快速的增長。衛星上去一般都有三到四個月的在軌測試，通過計算以後發現，探測器上去三到四個月以後，它的暗計數就增長到不能夠做實驗了。所以我們就做了幾方面的改進，一方面是通過一系列的電子學上的降溫、防輻射等手段；另外一個就是把軌道從600公裡降到500公裡，因為在500公裡以下，探測器受到地球磁場的保護，輻照會有大幅的減少。

在這三個主要任務完成之後，我們這三年又開展了一系列的拓展實驗。

墨子號是一個太陽同步軌道衛星，所以它每天晚上在當地時的12點都會飛過當地上空。比如說你家在北京，今天晚上北京時間的12點，它會過一次境；如果你在烏魯木齊，它會在北京時間晚上的2點多過烏魯木齊，因為烏魯木齊的當地時是12點；到北京時間第二天早上的7點，又到歐洲晚上的半夜的12點了，它又飛過維也納。這樣一個飛行之後，衛星可以跟地面上任意一個點做量子通信，通信完以後，衛星跟所有的人都有密鑰，衛星的作用相當於一個中繼點。

但是要用密鑰的人都在地面，那麼怎麼辦？假如維也納想跟烏魯木齊之間建立密鑰，而天上的衛星知道這兩個密鑰，只需做一個與或的邏輯運算，並把結果發給烏魯木齊，烏魯木齊用它的密鑰把密碼翻譯一下，就跟維也納一一對應了。所以這個過程中，衛星作為一個可信的中繼，為什麼是可信？衛星知道所有的事情，如果你從衛星上拿到信息，衛星就能清楚地知道維也納和烏魯木齊之間拿走的是什麼信息，而衛星可以把這個信息解碼。

除了可信中繼方案外，還有另外一種通信方案能夠僅讓通信的雙方知曉互相的信息，而僅把衛星作為一個產生糾纏和分發糾纏的一方。由於處於糾纏態的兩個光子，無論分到哪裡，即使分到地面站，依舊會處於糾纏狀態。那麼這兩個人只要檢測到它的糾纏，就可以拿它來生成密鑰，而且是一對一的密鑰。採用這個方式以後，因為衛星它沒有對糾纏進行任何的操作，沒有獲得任何的信息，所以密鑰只在地上的兩方來產生。即使衛星不是自己造的，而是其他國家造的，甚至是你自己造卻被別人控制了，也沒有關係，因為密鑰只取決於你自己對糾纏的檢測。

儘管第二個方案保密性更強，但現在它的碼率非常低，量級在0.1bit/s。而第一個方案的碼率在1kbit/s。因為衛星是我們自己造的，所以我們可以完全的相信衛星，並用它來做一些商用的密碼。而第二個方案的密鑰量非常的少，如果要積累足夠的密鑰來用，需要非常多的資源，所以它可以用在一些高等級、對安全級別要求更高的，對密鑰量需求不大的場合。從應用上來兩種方案有各的優勢。

除了量子通信方向，墨子號還去做了一些嘗試，例如引力導致糾纏退相干的模型。量子力學和廣義相對論是現代物理理論框架的兩個支柱，但是它們之間還沒有完美的融合，但是如今出現了很多的理論。廣義相對論指出，在地球引力場的情況下時空會彎曲，時空的彎曲會導致時間的平移。假設糾纏的一對光子中，有一個光子在地上放著，另外一個發到衛星上，在飛的過程當中，它前後光子，本來是排著隊一起走，一對一的跟地上，但是在飛的過程中受到引力的影響，而跟地上的光子不同步。就會導致在數光子時，如果只數發到衛星的這一路時，它和未受到引力影響時相同，但當與地上的光子關聯時，就會看到這個地方掉下去了，就不一樣了。

如果看到往下掉的過程，就表示觀察到了引力導致退相干的結果。實際上，實驗結果是符合量子力學的，結果是符合量子力學的：無論光子飛多遠，實驗結果還是看到一對一對的，並沒有發現引力影響了測試的結果。所以我們和理論的作者一起，把他原來的理論模型進行了升級。現在衛星500公裡（軌道）太低了，所以需要更高的軌道，可能就會觀察到引力帶來的效應。那就是給我們提了更高的實驗要求。除此之外，墨子號還可以進行高精度的安全視頻的傳遞。這裡我就不細講了。

墨子號划過星空

衛星發射以後，它後續取得的一些成果都獲得了很好的國際評價，這四年一直保持著它的熱度。在去年年底，《自然》雜誌在它評選的21世紀10年代的科學大事件，「墨子號」的成果也列入了其中。而「墨子號」的第一個發布的成果，就是Science上發表雙向糾纏密鑰分髮結果，也獲得了當年美國科學促進會的「克利夫蘭獎」。這是在1923年設立，九十多年以來，我們國家本土的成果首次獲得這個獎。

「墨子號」的新一代會有哪一些事情要做？雖然「墨子號」很成功，但是它只是一顆低軌的衛星，它過一個站的時間只有六分鐘左右，僅能覆蓋範圍1000公裡直徑的範圍，而且只能在地影區工作，所以它離實際應用還有一定的距離，我們還有很多事情要做。

我們未來的目標是要實現全球化的量子通信，這就要通過「量子星座」來完成。首先我們利用「墨子號」上已經成熟的技術，把它做到小型化，並使用多顆衛星組網。如果衛星的質量做到50公斤左右，其研製、發射成本會有很明顯的降低。通過三到五顆的這樣的衛星組網就可以覆蓋整個地球。地上的某一個站可以持續一個星期刷新密鑰，在初步的商業應用方面會起到很好的作用了。

除了一顆低軌的衛星，我們還要把目光投到更高的中高軌衛星，甚至是同步軌道。但是到了同步軌道，衛星只有0.6%的機會是在地影區，其他都是被太陽照亮的。所以我們還要解決地面站不能在白天開展實驗的問題。此外，除了天上的衛星組網，我們還需要將現有的地面站小型化。

總的來講，我們的目標是要建立一個完整的天地一體化的廣域量子保密通信網絡體系，並且跟經典通信網絡實現無縫的連結，共同結合，實現安全的保密通信。

編輯、整理 | John

排版 | 貓擼火鍋

墨子沙龍是以中國先賢「墨子」命名的大型公益性科普論壇，由中國科學技術大學上海研究院主辦，中國科大新創校友基金會、中國科學技術大學教育基金會、浦東新區科學技術協會、中國科學技術協會及浦東新區科技和經濟委員會等協辦。

墨子是我國古代著名的思想家、科學家，其思想和成就是我國早期科學萌芽的體現，「墨子沙龍」的建立，旨在傳承、發揚科學傳統，建設崇尚科學的社會氛圍，提升公民科學素養，倡導、弘揚科學精神。科普對象為熱愛科學、有探索精神和好奇心的普通公眾，我們希望能讓具有中學及以上學力的公眾了解、欣賞到當下全球最尖端的科學進展、科學思想。

關於「墨子沙龍」