梦想照进现实

记者：能否介绍一下量子科学卫星工程的总体情况？

潘建伟：量子科学实验卫星的想法由来已久，量子通信能否实用化还需要远距离实验来验证。国际上有很多团队都在研究，但当时主要集中在地面。去年，我们从原理上已经能够支持点对点五百公里的光纤量子通信。如果要达到更远的距离，我们还要付出更大的努力。

2004年年底，我们验证了量子状态在穿越大气层的等效厚度之后还能很好地存活，也就是说我们发现上天这件事情是可以进行的。在2005年相关的工作发表之后，我们向科学院相关领导、相关部门提出来要开展进一步的工作。到2007年，我们非常有幸地开始和王总合作，那时候开始合作做一些地面方面的相关工作。后来经过了三年多的地面验证实验，2010年我们开始论证真正发射一颗卫星的可能性，一年后正式立项，开始了量子科学实验卫星的正式研制过程。在科学院先导专项的支持下，历经五年，从2011年到2016年，终于研制完成。

王建宇：参加这个工程我感到非常荣幸，我们希望把科学家的梦想变成现实。2003年到2005年，他们提出了这个想法；2005年，科学家团队已经做了大量的实验；2007年组织了他们的科学家团队和我们工程团队，包括上海技术物理研究所、中科院光电技术研究所、还有小卫星工程中心，一起进行攻关，目的就是要验证能不能实现量子通信。

这个项目，我们除了实验室的攻关以外，大量的时间是在青海工作。经过三年的努力，我们在青海湖边，确实验证了用我们自己的技术实现量子通信是完全可以的。这颗量子卫星是国际上的第一颗，我们之前的航天工作，都可以找到一些资料，但是这一次的工作完全没有可以借鉴的，所有问题都要靠自己来解决。

龚建村：这颗量子卫星实际上是我们空间科学先导专项第三颗科学实验卫星，也就是我们国家空间科学中心总体组织实施的第三颗卫星。量子科学实验卫星是我们空间科学战略性先导专项，空间科学先导专项是国务院第105次常务会议审议通过的中国科学院“创新2020”规划。量子科学实验卫星，无论是科学实验的一些想法、构想，还是一些想要实现的科学目标以及在技术实现上的一些难度等等，都得到了我们国家领导层高度的重视，以及无论是同行还是相关行业的广泛关注。

我们这颗卫星的科学目标首先是进行星地高速量子密钥分发实验，并在此基础上进行广义量子密钥网络实验等，以及在空间量子通信实用方面取得重大成果；第二是在空间尺度进行量子纠缠分发和量子隐形传态实验，这是开展空间尺度量子力学完备性检验的一种实验。另外，我们工程目标是研制一颗量子科学实验卫星，研制生产一发长征二号丁运载火箭，在酒泉卫星发射中心将卫星发射到外空预定轨道；同时建设四个量子通信的地面站和一个隐形传态实验站，共同构成天地一体化的量子科学实验系统。

记者：此次量子科学实验卫星的负责团队情况是怎样的呢？

潘建伟：我属于大总体的成员之一，但是我们打交道比较多的主要是卫星系统、科学应用系统、地面支撑系统，其他的是在大总体的统一协调之下开展工作的。最早是由中科大团队在地面基础实验上提出来的，随后我们和上海技物所，就是王院长他们的团队密切合作、开展工作，随后开展相关的科学实验。与此同时，在科学院的支持下，我们又和微小卫星创建的研究院、成都的光电研究所合作。我们用的地面上的光学天线主要是他们在做，天上用于发射的光学终端是技物所在做。他们在有效载荷方面有很多经验，管理体系方面他们统一都在负责。当然，上海光机所也在激光方面做了工作，构成了我们这个体系。

其实这个项目不能简单叫做卫星，我们建的是一个天地一体化的实验装置。因为我们跟暗物质卫星、实践十号不一样。它们只在天上接收数据，是一个相对独立的整体，卫星实验室的大小基本就是这颗卫星本身的大小。但我们这个实验是目前有史以来最大的一个量子实验室。我们在天上和地上都有装置，地面还需要两个地面站来进行纠缠分发。这两个地面站相距一千两百公里，天上离地面是五百公里轨道。那么，我们这个实验室面积大概遍布在六十万平方公里，是目前国际上最大的天地一体化量子实验室，之后的几个天文台也是我们的团队成员。

在实施这个工程之后，我越来越认为个人是很渺小的，这颗卫星能够走到今天，源于我们有非常好的团队，至少有几百人以上全身心地投入到这个项目里来。没有他们，不可能有现在的成功发射。

王建宇：我和潘院士已经合作了十年。这是一个非常典型的科学与工程的完美结合，因为潘院士提出这个思想，他们这个团队其实技术上也很强大，他们的实验室在短距离做过这个实验。但是要进行天地一体化的实验，一个团队的力量可能就不够了，所以我们科学院强强联合，比如光学、卫星这些力量的同步，我的团队上海技物所和潘院士结合起来。两个团队天天在一起，我们上海技物所把航天所有载荷研制相关的内容全部开放。他们的团队几乎天天在我们的实验室里，就像刚才潘教授说的。因为我们航天要讲质量体系、讲保障，这些如果从头建立是很难的。所以这样就是科学家的团队与工程师的团队非常好的结合，到最后就是你中有我，我中有你。

记者：请问王总，在整个实验过程中，遇到过怎样的困难？

王建宇：困难很多，比如天地一体化的连通，我们从天上发下来是一颗一颗光量子，光量子的能量非常小，要发到地面的系统。我们整个的工程，一个是天上的卫星，四个地面光学接收站，一个光学发射站，一个专门的卫星接收系统用来进行专门的、常规的卫星收发，还有卫星所用的发射、测控等我们说的六大系统。

其中对我们最新的挑战实际上是科学应用系统。这颗卫星微弱的光发射下来，地面要收到，这就有一个对准的问题。如果你无法对准，发射有偏差，就无法接收到。还有我们光的编码、量子的编码，它叫光的偏振状态。我们从上面发射下来后，不但要收到一个个光子，而且要把这个振动方向、偏振方向非常完美地检测出来。另外，在密钥分发的时候，我们天上大概会有每秒钟一亿个光子，你要把发射到地面的光子检测出来。如果哪个搞错了，你的接收就是无用的。所以第一个光子、每一个光子，不但需要把它检测出来，而且要把它记牢是第几个，这就需要非常精确的时间同步技术。另外，我们在这里非常难的第二个实验——纠缠分发，需要仪器在天上专门产生所谓的双胞胎的光子，这个仪器是我们中科大自己研制的，应该说它在地面、在国际上也是有前途的，而且我们还把它搬到了天上。

记者：请问潘院士，量子卫星成功发射后，倘若能够成功获得相关的科学成果，其意义是什么？

潘建伟：意义主要体现在三个方面，首先是信息安全方面的推动，光纤如果做量子通讯的话，哪怕把当今世界上所存在的最好的技术全用上，那么在千公里量级，大概每三百年只能送一个数。但是在我们这颗星里，点对点之间，按照目前的指标（当然最后的指标到底是多少还需要实验验证，毕竟地面的条件和天上的条件有所不同），大概一秒钟可以传送100K，随着技术的进步，将来可能就是1M，10M……这样会极大地推动量子通信实用化的进程。未来要真正实现实用化的全球量子通信的话，还需要一个星座，由多颗卫星组成的星座。如果一切顺利，我们希望能够通过五年的努力，突破星座的技术，那么十年后，我们可能有多颗量子通信卫星在天上飞行，这会极大地改变我们在信息安全方面目前非常被动的局面。第二，我们可以利用卫星在大尺度范围开展量子力学有效性的检验。因为我们知道量子力学是一个基础理论，它从前在微观的世界里适用，那么在宏观的大尺度范围里面，量子力学到底能在什么样的情况下适用？比如它在这里面有一个非常有趣的概念叫量子纠缠，我们要检验量子纠缠在宏观尺度上的有效性。一旦我们拥有了远距离进行量子通信技术之后，我们就获取一些新的技术手段。第三，我们还做了一些有趣的实验，希望能够测试把地面微观量子态传到太空中，通过千公里左右的量子隐形传输。

记者：这项技术具有保密的原理，和密钥有什么关系？

王建宇：就是防止人家窃听。什么意思呢？就是量子是不可分割的。通俗来讲，我给你发密码，我发了一万个，你尽管只收到一百个，有九千九百个不见了，被别人拿走了，这都没关系，他们拿走的东西我不作为密码来用，我就用你收到的这一些。所以，你收到的是别人没有的，是唯一的，这就是说量子具有不可分割性。但是破译密码者认为自己本领大，把我发给你的密码通通截下来，先拷贝一份然后再发给你，那你的密码破译者不就全都知道了吗？这里就要提到量子的不可拷贝性，破译密码者虽然本事很大，但从量子力学原理来说，拷贝以后就不可能和原来的状态一模一样，也就是说这里面的误差会增加。那么我们传输完成后，进行比对，你收到一万个，我拿出一千个进行对比，看这里面的误差，哪些是对的，哪些是错的。误差超过某个值，我觉得这组密码有可能有人窃听，我就不用。如果这个误差小于某个值则一定没有人窃听。量子密钥就是用这个原理来保证分发过程中的安全。在传输过程中，它的量子力学物理原理保证了它不会泄密。当然你收到以后有其他渠道人为地泄密，这个还是没有办法的。

记者：我们这次的实验都是在夜间开展，这两年大多数时间可能都是这样。是不是对夜间发射有实验要求？倘若是全天候的应用，需要在哪些方面进行改进或加强？

潘建伟：为什么会挑选在夜间做实验呢？就像我们要在月球上划一根火柴，需要你能在地球上看到，那么如果有好多人同时划火柴，你就不知道这根火柴是谁划的，而白天的太阳光很强烈。举个例子，一个25瓦的灯泡，每秒钟所发射出来的小颗粒的数目是百亿个，也就是说在百亿个里面你需要把正确信号挑出来，这个非常困难，所以在第一代实验里，我们选择了晚上。在后续的地面实验中，我们需要白天也能做实验，因为卫星组网之后总有一个卫星在太阳光下面，不可能所有卫星都在太阳光背面。如果我们运用到最新的技术，我们是可以很好地做全天时的实验的，但是现阶段我们不能又来改造一颗新的卫星。

王建宇：太阳同步轨道卫星的特点，就是它在任何时刻都会在太阳的照耀之下。所以你在什么地点、什么时间发，发射到你这个上面它就是什么效果。我们现在这个卫星要求设计是在午夜十二点钟左右做实验。这个设备的光子当然有亮度，从量子来说主要是不是偏振，当然光还有一个非常重要的特点——它有波长，所以我要在白天做实验的话，就要有能够滤波的技术，把需要波长的光，非常窄地滤出来。现在我们可能滤波是五个纳米或者是三到五个纳米，以后我们可以零点几个纳米，而这样，我们就可以把其它大多数的光排除掉，再把它挑出来就容易了，这个技术我们现在正在地面实现，可能在下一轮的卫星上就可以应用到。

龚建村：提到白天和黑夜，这里有个词一定要弄清楚，叫“全天时”，不是“全天候”。全天候讲的是气象转变，晴天还是有云还是下雨。我在这里也补充一个例子：无论白天还是晚上，探测器在探测一个目标时，最关键的核心目标叫信噪比，信号和噪声之间的比。那么在夜里，噪声背景比较低，就可以实现非常暗弱的目标的探测。而白天因为背景光太强，它就会很难从背景光把我们想要探测的目标识别出来。在卫星的研制过程中，我们其他的研发团队在技术上不断进步，实际上，我们现在所掌握的技术水平，已经超越了现在这颗新发射卫星的水平。所以实现全天时，甚至部分天候能够开展工作，在未来都是有可能的。

记者：量子卫星发射成功之后，会有一些国际合作吗？

潘建伟：会有国际合作，2011年时，奥地利科学院已经来签署协议。这一次，他们专门来到中科大上海研究院落实后面的合作。因为科学上的东西总是有优先级，当时尽管有德国、意大利、加拿大同时提出了申请，最后我们决定还是选择自己的老朋友，或者说合作得最早的奥地利团队，奥地利也是我当年留学的地方，这里面可能有个人感情因素，所以先和他们合作。我们也和意大利、德国统一表示，我们和奥地利合作的那些成果发表之后，再和意德合作，他们表示同意，也非常希望能够加入我们后续的星座等相关实验。目前，意大利的空间局、德国的航天部门，都在跟我们协商，我们和他们的合作会在一年多之后。意大利有几个望远镜、德国有望远镜，奥地利也有几个望远镜，那么我们就能形成组网，开展相关工作。