演講現(xiàn)場(chǎng)

中科院先導(dǎo)項(xiàng)目——量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”

接下來(lái)要講的是“墨子號(hào)”。在此我要糾正一下，很多人叫做量子通信衛(wèi)星，泛泛來(lái)說(shuō)是對(duì)的，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)是不對(duì)的。因?yàn)槲覀儼l(fā)射的是一顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星。兩者間有什么區(qū)別呢？如果是一個(gè)量子通信衛(wèi)星，應(yīng)該是一個(gè)實(shí)用化的衛(wèi)星，要承擔(dān)量子通信的任務(wù)。而“墨子號(hào)”要進(jìn)行的是科學(xué)實(shí)驗(yàn)，有幾大任務(wù)，主要是驗(yàn)證物理學(xué)上的一些原理。

這得到了中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)的支持，我們當(dāng)時(shí)發(fā)射了四顆衛(wèi)星，“墨子號(hào)”是其中一顆。主要將當(dāng)年量子物理學(xué)家潘建偉院士的一些想法，通過(guò)這個(gè)衛(wèi)星在天地一體的范圍里面實(shí)現(xiàn)。比較形象地說(shuō)，就是建立一個(gè)幾千公里范疇的大實(shí)驗(yàn)室，潘院士通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)室完成他的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

“墨子號(hào)”的任務(wù)包括三方面。第一，要進(jìn)行星-地量子密鑰的分發(fā)實(shí)驗(yàn)。有很多人認(rèn)為現(xiàn)代科技發(fā)展很快，以前是電的通信，后來(lái)又出現(xiàn)光的通信，光的通信集成電路已經(jīng)發(fā)展得很好了，現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)又這么發(fā)達(dá)，量子通信是不是比光通信還要先進(jìn)，將來(lái)要把光通信替代掉？這個(gè)想法是不對(duì)的，量子通信是現(xiàn)代通信手段的一種補(bǔ)充，在通信當(dāng)中只產(chǎn)生密鑰作為保密的保障。

和我同齡的人應(yīng)該都知道《紅燈記》，故事里面被搶來(lái)?yè)屓サ木褪敲茈姶a，游擊隊(duì)在傳送的過(guò)程中日本人要截取它。這就表示密碼是通信保密的手段，對(duì)方一定會(huì)截取，而最容易截取的環(huán)節(jié)一定發(fā)生在傳輸過(guò)程中。

現(xiàn)代的密碼也是這樣，用再好的計(jì)算機(jī)產(chǎn)生出來(lái)的密碼，一定要比對(duì)方強(qiáng)。這種對(duì)傳送過(guò)程的要求，無(wú)論是對(duì)于現(xiàn)代傳輸手段，還是經(jīng)典的人傳都是一樣的?，F(xiàn)在我們國(guó)家很多戰(zhàn)區(qū)的密碼傳輸方式要更換了，有時(shí)候還是一個(gè)人拎著一個(gè)密碼箱，將硬盤送過(guò)去的。物理學(xué)家利用了量子的方法，創(chuàng)造了一種在傳遞過(guò)程當(dāng)中不可破譯的密碼。

現(xiàn)代通訊手段里，很多密碼都是可拷貝的。一個(gè)信息在傳輸過(guò)程中，既讓你收到，中間又被偷出去讓他收到，才會(huì)泄密的。而一個(gè)光子只有一個(gè)方向，如果你拿到了，別人就拿不到了。這就是所謂被竊取的光子不產(chǎn)生密鑰，量子的不可分割性原理從中發(fā)揮了作用。“墨子號(hào)”現(xiàn)在要做的第一個(gè)任務(wù)就是，把密鑰分發(fā)送到天上去。

有人會(huì)問(wèn)通信現(xiàn)在很多都是用光纖的，你們?yōu)槭裁匆敲绰闊┡叫l(wèi)星上去，又花錢又不可靠？因?yàn)樵诘孛嫠械木W(wǎng)絡(luò)里面，光子在光纖里面走是有損耗的，超過(guò)100公里以后它損耗往往是不能承擔(dān)的，有很多科學(xué)的制約?？茖W(xué)家后來(lái)發(fā)現(xiàn)，只有通過(guò)衛(wèi)星直接分發(fā)，衰減會(huì)非常小，可以把密鑰發(fā)送到全世界各地。

“墨子號(hào)”的第二個(gè)任務(wù)是所謂的糾纏分發(fā)。前面說(shuō)過(guò)一個(gè)量子不去測(cè)量就不知道它的狀態(tài)，但是量子力學(xué)在推導(dǎo)的過(guò)程當(dāng)中又發(fā)生了非常怪異的現(xiàn)象：某種特殊的狀態(tài)下，一對(duì)粒子中一個(gè)被測(cè)量以后，另外一個(gè)立馬退出狀態(tài)。這好像和前面講的量子力學(xué)的不可測(cè)量、不可克隆的理論不太一樣，這是量子力學(xué)理論中的兩光子極化糾纏態(tài)。

很多科學(xué)家提出，到底多長(zhǎng)距離里面這種現(xiàn)象是存在的？在地面當(dāng)時(shí)最遠(yuǎn)的距離，是潘建偉院士和我們一起做的，在青海做了100公里的實(shí)驗(yàn)。而借助衛(wèi)星可以做到1000公里，所以“墨子號(hào)”的第二個(gè)任務(wù)就是通過(guò)衛(wèi)星來(lái)看看1000公里量子糾纏這種現(xiàn)象還存不存在。

“墨子號(hào)”的第三個(gè)任務(wù)是地-星量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)。前面講過(guò)量子不可克隆，就是說(shuō)這個(gè)信息是孤立的，不可能傳出去，一傳出去就會(huì)錯(cuò)。物理學(xué)家認(rèn)為這不可能，微觀世界或者量子世界一定有它自己信息傳遞方式。對(duì)于這個(gè)疑問(wèn)，一直到上世紀(jì)90年代，奧地利的一位科學(xué)家，也是潘建偉院士的導(dǎo)師團(tuán)隊(duì)，他們提出了一種所謂隱形傳態(tài)的概念，他們認(rèn)為如果這種糾纏是存在的，就可以借助這種糾纏把信息傳出去。

我們?cè)诘孛嬉呀?jīng)做成這樣的實(shí)驗(yàn)，那么能不能通過(guò)衛(wèi)星把地面的量子信息發(fā)到衛(wèi)星上去，現(xiàn)在是1000公里距離的實(shí)驗(yàn)，以后可能還要做到1萬(wàn)公里。這就是“墨子號(hào)”第三個(gè)任務(wù)，地-星量子的隱形傳態(tài)。

具體來(lái)說(shuō)，就是組成一個(gè)天地大系統(tǒng)，我們?cè)诔Ｒ?guī)衛(wèi)星上面增加了一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，做出來(lái)以后讓科學(xué)家去用。在中國(guó)做這個(gè)實(shí)驗(yàn)很有利，因?yàn)榈玫搅藝?guó)家的支持、中國(guó)科學(xué)院的支持。做這個(gè)實(shí)驗(yàn)雖然有很大的風(fēng)險(xiǎn)，我們也要做，但是要盡可能節(jié)約國(guó)家的錢，因此我們采用的是600多公斤的小衛(wèi)星做的。這在技術(shù)難度上比較大，但是我們克服了困難，在較低的成本下做了這個(gè)實(shí)驗(yàn)。

我們?cè)O(shè)了五個(gè)地面系統(tǒng)，其中大部分的地面系統(tǒng)放在西部。因?yàn)樽鲞@個(gè)事情最怕的是大氣干擾，所以盡量找干擾小一點(diǎn)的，西部的大氣比較好。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中最困難的是從地面發(fā)信息到上面去，就是隱形傳態(tài)。打個(gè)比喻來(lái)說(shuō)，就像一個(gè)毛玻璃，把毛玻璃放在字前面可能看出來(lái)，但是把毛玻璃放在眼睛前面就什么都看不出來(lái)了。我們的一個(gè)地面系統(tǒng)在西藏的阿里，海拔將近5000公里，這種自然條件一般人是受不住的，當(dāng)時(shí)我們一個(gè)老師帶著一隊(duì)研究生在上面工作了很長(zhǎng)時(shí)間。

“墨子號(hào)”是在2016年8月16日發(fā)射的，2017年1月18日正式交付。現(xiàn)在這顆衛(wèi)星還在繼續(xù)工作，雖然衛(wèi)星的壽命是2年，但是做了3年的延壽，讓科學(xué)家可以做很多實(shí)驗(yàn)。 

“墨子號(hào)”運(yùn)行情況和國(guó)際國(guó)內(nèi)反響

那么衛(wèi)星發(fā)射上去以后運(yùn)行情況怎么樣？國(guó)際國(guó)內(nèi)有什么樣的反響？先給大家說(shuō)一個(gè)插曲，當(dāng)時(shí)我們中國(guó)科學(xué)院做了四顆科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，其中第一顆很神奇，是探索尋找暗物質(zhì)。因?yàn)樵谶@個(gè)宇宙上，我們能看到的只有大約5%，還有95%是以暗物質(zhì)、暗能量的形式存在的，這是宇宙大爆炸理論探索出來(lái)的。

現(xiàn)在有另外一個(gè)非常熱的分支，就是引力波測(cè)量。如果引力波像電子波一樣應(yīng)用了，我們就能夠找到暗物質(zhì)和暗能量，這第一顆衛(wèi)星就是探索有沒(méi)有暗物質(zhì)。這顆衛(wèi)星是比我們?cè)缫稽c(diǎn)發(fā)射的，當(dāng)時(shí)全國(guó)進(jìn)行征名，最后起了一個(gè)名字叫“悟空號(hào)”，這個(gè)名字對(duì)它很貼切，“悟”在漢語(yǔ)里有參悟、理解的意思，“空”是空間，探索暗物質(zhì)就是參悟、理解空間，而且“悟空”這個(gè)名字家喻戶曉。

到我們這顆衛(wèi)星就有一點(diǎn)小尷尬了，我們?cè)撊∈裁疵郑恳灰舱饕粋€(gè)名，期間有人開(kāi)玩笑說(shuō)，不用征名了，那顆老大（悟空），這顆老二（八戒），這當(dāng)然不可能了。后來(lái)潘建偉院士說(shuō)，我們不要爭(zhēng)了，我提議叫“墨子號(hào)”，墨子是中國(guó)四大圣人，他更偏于技術(shù)，墨家在古代都是能工巧匠。而且我們?cè)凇赌?jīng)》里面找到一段話“景，光之人，煦若射，下者之人也高，高者之人也下?！边@描述的就是小孔成像的原理，全世界第一次有文字記錄這一原理的就是《墨經(jīng)》。所以墨子不僅僅是一個(gè)哲學(xué)家，還是一個(gè)科學(xué)家，也是我們做光學(xué)的祖宗，為了紀(jì)念他我們起名為“墨子號(hào)”。

“墨子號(hào)”的所有實(shí)驗(yàn)我們不到6個(gè)月就做完了，第一篇論文是2017年6月發(fā)表在Science上面的，封面文章《1200公里的糾纏分發(fā)》。2018年的時(shí)候，潘建偉院士打電話說(shuō)我們得了一個(gè)大獎(jiǎng)，就是Science的最佳論文獎(jiǎng)。他看我沒(méi)有什么反應(yīng)，說(shuō)Science一年只評(píng)1篇最佳論文，而且這個(gè)評(píng)審不是我們自己申報(bào)的，是全世界科學(xué)家評(píng)審的，叫克利夫蘭獎(jiǎng)。從歷史上看，評(píng)上克利夫蘭獎(jiǎng)的作者有很大比例最后都得了諾貝爾獎(jiǎng)。這樣一說(shuō)這個(gè)獎(jiǎng)的含金量就比較高了。可以說(shuō)“墨子號(hào)”第二個(gè)實(shí)驗(yàn)糾纏分發(fā)得到了國(guó)際上非常好的承認(rèn)和榮譽(yù)。

還有兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，密鑰分發(fā)和量子隱形傳態(tài)，相關(guān)的兩篇文章我們是在2017年8月份發(fā)表在Nature雜志上的。Science、Nature是美國(guó)、英國(guó)，兩大巨頭科學(xué)類雜志。原來(lái)Science不太愿意發(fā)表潘建偉院士的研究，所以當(dāng)時(shí)基本上都發(fā)表在Nature上。但是這一次Science一反常態(tài)，非常積極，一個(gè)月就給了我們論文錄用通知，而Nature審了很長(zhǎng)時(shí)間。后來(lái)我們知道，因?yàn)镾cience審我們糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)的人本身也在做這個(gè)，他們發(fā)現(xiàn)你們做這個(gè)以后，正好利用這么好的機(jī)會(huì)從頭到尾好好問(wèn)，那時(shí)候必須把各種問(wèn)題回答他，所以他們后來(lái)就發(fā)表了。Nature方面我們也有一個(gè)突破性的成果，一個(gè)團(tuán)隊(duì)一次登兩篇文章，以前也是沒(méi)有的。

“墨子號(hào)”三大實(shí)驗(yàn)任務(wù)我們到這個(gè)時(shí)候就非常完美地完成了，這里我給大家簡(jiǎn)單分享一些結(jié)果。圖一是我們?cè)诒本┡d隆站做的實(shí)驗(yàn)，綠色的就是我們的衛(wèi)星，紅色的是地面，這個(gè)是信道光，這是看熱鬧的，門道不在這里，門道在光里面，真正通信用的光子是看不到的。

圖一：墨子號(hào)在北京興隆站做的實(shí)驗(yàn)。

圖二是新疆南山站建立的臺(tái)站，這個(gè)拍得好像是白天一樣，我們相機(jī)曝光的時(shí)間很長(zhǎng)，所以滿天的星斗都看得很清楚。能夠看到衛(wèi)星從這個(gè)方向出來(lái)移過(guò)去，移了很長(zhǎng)時(shí)間。

圖二：墨子號(hào)在新疆南山站建立的臺(tái)站。

圖三是我們?cè)诘谌齻€(gè)站麗江站做的實(shí)驗(yàn)，下面是一個(gè)鎮(zhèn)。這里會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)現(xiàn)象，前兩張照片可以看到，盡管時(shí)間很短，但紅的非常明顯，而第三張紅光不太能夠看得出來(lái)，什么原因造成的？其實(shí)是大氣的差別?？吹郊t光不是好事，因?yàn)榇髿馕廴颈容^嚴(yán)重的情況下，光打上去以后很多被大氣反射回來(lái)，才會(huì)看到這個(gè)東西。如果大氣很干凈的話，打上去的光是看不見(jiàn)的，這背后是物理學(xué)上的“后向反射”原理。三張照片的差別間接印證了麗江的大氣非常好。

圖三：墨子號(hào)在麗江站做的實(shí)驗(yàn)。

這張照片（圖四）拍攝于烏魯木齊南山，多張照片合成了衛(wèi)星過(guò)境的全貌。

圖四：墨子號(hào)在烏魯木齊南山做的實(shí)驗(yàn)，多張照片合成了衛(wèi)星過(guò)境的全貌。

完成了三大實(shí)驗(yàn)后，2017年9月份還專門通過(guò)“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星進(jìn)行了洲際的量子密鑰分發(fā)。當(dāng)時(shí)中國(guó)科學(xué)院的白春禮院長(zhǎng)和奧地利科學(xué)院院長(zhǎng)安東·塞林格進(jìn)行了世界首次洲際量子保密通信視頻通話，在世界上第一次實(shí)現(xiàn)了洲際的量子保密通信。

做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，如果光自己做，外部的人不會(huì)太信，會(huì)質(zhì)疑中國(guó)的水平怎么一下子這么高了，所以我們開(kāi)展了很多的國(guó)際合作。只要他們地面站能建好，我們的衛(wèi)星就給他們通信，這也證明了我們是開(kāi)放的。但這也是有前后順序的，等三個(gè)實(shí)驗(yàn)都完成了、論文都發(fā)表了的時(shí)候，我們才開(kāi)放，再面向國(guó)際合作，因?yàn)榭茖W(xué)只有第一沒(méi)有第二。

“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星完成實(shí)驗(yàn)后，在國(guó)際上影響是比較大的，因?yàn)榱孔蛹夹g(shù)在歐盟、美國(guó)都是被列為國(guó)家科學(xué)發(fā)展、戰(zhàn)略發(fā)展的前沿。特別是美國(guó)還專門召開(kāi)了聽(tīng)證會(huì)，討論如何保證美國(guó)在量子技術(shù)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中的領(lǐng)導(dǎo)地位，他們的結(jié)論是美國(guó)絕對(duì)無(wú)法承受在量子技術(shù)革命中失敗的代價(jià)。據(jù)說(shuō)聽(tīng)證會(huì)上有一個(gè)研究量子非常有名的科學(xué)家，直接指責(zé)國(guó)會(huì)，說(shuō)幾年前就提醒過(guò)你們要在這方面投錢，因?yàn)橹袊?guó)已經(jīng)開(kāi)始做了，但當(dāng)時(shí)你們認(rèn)為中國(guó)肯定做不成，結(jié)果現(xiàn)在中國(guó)的技術(shù)已經(jīng)超越了我們。他后面有一句話非常有意思，說(shuō)不要緊的，我們美國(guó)也曾經(jīng)被蘇聯(lián)超越了，但是我們美國(guó)人只要認(rèn)真了，我們一定是世界第一，我們會(huì)搶回來(lái)的，只要你投錢。 

從量子衛(wèi)星的成功，看中國(guó)的高技術(shù)如何從跟蹤到引領(lǐng)

下面我要分享的是為什么中國(guó)能夠完成這么一個(gè)高技術(shù)的實(shí)驗(yàn)，我從四個(gè)方面來(lái)講“墨子號(hào)”成功的基礎(chǔ)：

第一，中國(guó)航天技術(shù)和空間激光技術(shù)已經(jīng)有長(zhǎng)足的進(jìn)步，航天器發(fā)射的數(shù)量居國(guó)際第二。就是說(shuō)中國(guó)在做衛(wèi)星、做激光這兩個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)有很好的基礎(chǔ)了。

我們回顧一下1957年的第一顆人造衛(wèi)星，這對(duì)美國(guó)來(lái)說(shuō)是一個(gè)恥辱，因?yàn)楸惶K聯(lián)搶在他們前面了。并不是說(shuō)美國(guó)不努力在做，而是航天的風(fēng)險(xiǎn)確實(shí)很大，美國(guó)第一顆衛(wèi)星發(fā)射的時(shí)候沒(méi)有成功，所以當(dāng)時(shí)蘇聯(lián)人搶先發(fā)射了。美國(guó)在不久后的1958年1月份就發(fā)射成功了，我們中國(guó)那時(shí)候差距比較大，到1970年4月才成功發(fā)射第一顆衛(wèi)星。

現(xiàn)在我們的技術(shù)上已經(jīng)和國(guó)際上最先進(jìn)的技術(shù)基本上并駕齊驅(qū)了，比如我們載人航天天地往返能力、在軌控制能力、人類的空間生存能力，探月工程超遠(yuǎn)距離的測(cè)控能力、球外形體衛(wèi)星的控制能力，還有高分辨率對(duì)地觀測(cè)能力、衛(wèi)星的長(zhǎng)壽命能力等。

中國(guó)到現(xiàn)在為止，在航天上是世界老二，老大還是美國(guó)，我們可以說(shuō)是航天大國(guó)，但絕對(duì)不是航天強(qiáng)國(guó)，因?yàn)槠渲性瓌?chuàng)的東西，最新的概念還是美國(guó)強(qiáng)。而對(duì)于“墨子號(hào)”我們中國(guó)比較自豪，因?yàn)閺脑淼阶罱K都是我們自己做的。

我今天非常高興到深圳來(lái)，因?yàn)樯钲诘膭?chuàng)新思想是全國(guó)最領(lǐng)先的。在座關(guān)注航天的人可能知道，現(xiàn)在最熱的就是馬斯克的星鏈計(jì)劃，他號(hào)稱要發(fā)幾萬(wàn)顆衛(wèi)星到天上去，而且最早提出要做火箭回收。大家最早笑話他，現(xiàn)在人家成功了，有人又說(shuō)這個(gè)也不難，別人也可以做，但是誰(shuí)先提出來(lái)、先做到還是完全不一樣的。再比如激光器是美國(guó)1960年制成的，雖然中國(guó)在1961年8月份也做出來(lái)了，但是第一和第二有本質(zhì)的區(qū)別。

第二，多年的開(kāi)放，為科學(xué)家的原創(chuàng)提供了條件，為“墨子號(hào)”注入了靈魂。“墨子號(hào)”如果沒(méi)有像潘建偉院士這樣的科學(xué)家從國(guó)外回來(lái)，沒(méi)有他的思想是難以成功的。

當(dāng)時(shí)我們?cè)谇嗪：偷孛孀隽舜罅康膶?shí)驗(yàn)，驗(yàn)證是可以上去的，同時(shí)當(dāng)時(shí)也產(chǎn)生了很多科學(xué)產(chǎn)出。我們中國(guó)人本事挺大的，給一點(diǎn)錢可以用土辦法來(lái)驗(yàn)證。最難的是當(dāng)時(shí)在地面本來(lái)是在實(shí)驗(yàn)室做的實(shí)驗(yàn)，但現(xiàn)在要到衛(wèi)星上去做。衛(wèi)星是運(yùn)動(dòng)的，而且飛行速度這么快。怎么辦？當(dāng)時(shí)我們想在天上找一個(gè)動(dòng)的東西，最早想到飛機(jī)，后來(lái)想不太可能。我們說(shuō)，能不能用熱氣球做，這是很土的辦法，但是成功了，我們做了一個(gè)全國(guó)最大的熱氣球在上面完成了實(shí)驗(yàn)。我們最早還利用吊車做了各種各樣的實(shí)驗(yàn)。所以說(shuō)，有時(shí)候技術(shù)的創(chuàng)新不一定要花很多的錢，要想辦法。

第三，多學(xué)科融合交叉、強(qiáng)強(qiáng)融合，是量子衛(wèi)星在空間光電技術(shù)上的主要進(jìn)步。因?yàn)楹芏嗟目茖W(xué)實(shí)驗(yàn)不是一個(gè)人能夠做成的，雖然說(shuō)科學(xué)家最主要的是智商，智商低的人肯定做不了科學(xué)家，但是大工程做到后面情商比智商更重要。一個(gè)人很有智商，不能和別人合作，事情就做不成。

我開(kāi)玩笑說(shuō)“墨子號(hào)”可能是五分技術(shù)、五分管理。這里面有很多的難題，比如這不是一家能夠完成的，要發(fā)射，要衛(wèi)星平臺(tái)，要做糾纏源，要天地對(duì)接。舉例來(lái)說(shuō)，衛(wèi)星發(fā)射出去后，因?yàn)槭堑涂绽@著地球轉(zhuǎn)的，離地面大概是1千公里，飛行的速度是每秒7公里多，不到8公里。這個(gè)時(shí)候最難的是能不能找到它，我們最怕的是衛(wèi)星上去以后找不到了，那就什么都沒(méi)有了。

這種事情不是沒(méi)有發(fā)生過(guò)，確實(shí)發(fā)生過(guò)，發(fā)生過(guò)兩件事情。第一件事情，美國(guó)在2000年發(fā)射全世界第一顆激光衛(wèi)星，但是發(fā)射之后就找不到了。我們國(guó)家曾經(jīng)也發(fā)生過(guò)在海洋上發(fā)射的衛(wèi)星一開(kāi)始找不到，后來(lái)通過(guò)天文臺(tái)站突然看到一個(gè)信號(hào)興奮得不得了，成功找到了。找不到是最讓人擔(dān)心的，所以我們花的力氣很大，要抓得住，跟得牢，打得準(zhǔn)。

關(guān)于抓得住，還有一個(gè)故事。潘建偉院士當(dāng)時(shí)跟我們一起做的時(shí)候，他建議不要全部自己做，有些部分可以引進(jìn)。我們知道從美國(guó)引進(jìn)肯定不可能了，就找到了歐洲幾家公司，他們說(shuō)了三句話給我印象非常深。第一句話，你們找我們肯定是對(duì)的，我們是這項(xiàng)技術(shù)全世界做得最強(qiáng)的，別的地方達(dá)不到你們要的這個(gè)質(zhì)量。第二句話，你們有多少錢？賣最高技術(shù)給你們肯定很貴。如果他們就說(shuō)這兩句，我和潘院士就答應(yīng)了，只需要回來(lái)找錢，因?yàn)閲?guó)家給我們的預(yù)算是有限的。但他們又說(shuō)了第三句，這個(gè)技術(shù)不可能賣給中國(guó)。聽(tīng)了第三句我們就死心了，決定回來(lái)自己做。我們做完以后，這項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)在全世界是最好的?？梢哉f(shuō)不被逼到死胡同上是做不出這個(gè)東西的。

其實(shí)觀測(cè)衛(wèi)星的原理非常簡(jiǎn)單。我們天文觀測(cè)的水平是非常高的，用1米多的望遠(yuǎn)鏡，可以說(shuō)你想看什么都可以看到。衛(wèi)星在天上飛，我們測(cè)控的精度是百米。所以時(shí)間的進(jìn)度很重要，我們?cè)谝粋€(gè)地方等著，衛(wèi)星一定會(huì)從頭頂上飛過(guò)。

所以只要我們?cè)谙旅娲蛞皇?，讓這個(gè)光在天上有1公里范圍的大小，確保衛(wèi)星一定會(huì)飛過(guò)這1公里范圍。衛(wèi)星一飛過(guò)，我們就探測(cè)到了，天上馬上反打一個(gè)光過(guò)來(lái)，兩邊就連住了。連住以后，我們?cè)賳?dòng)一套非常高精度的跟蹤系統(tǒng)，我們的精度指標(biāo)是0.7個(gè)角秒，最后可以做到0.02個(gè)角秒，這是技術(shù)最高之一。所以技術(shù)上要敢去做，敢去做才能夠做到。另外，我們這個(gè)光要發(fā)射得很窄，因?yàn)楣庠叫≡胶?，我們這個(gè)光束也是全世界做得最窄的。

我們還有一個(gè)技術(shù)叫做天地鏈路偏振態(tài)保持，這么高精度的東西受不得振動(dòng)，所以在衛(wèi)星上怎么樣把它控制??？我們發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星上的環(huán)境盡管比我們下面汽車要好多了，但不讓它振是不可能的，唯一的辦法是根據(jù)它的振動(dòng)矯正。我們現(xiàn)在跟蹤的技術(shù)非常高，全部做到了。

我們擁有的下一個(gè)技術(shù)叫做單光子接收技術(shù)。天上的密鑰是一個(gè)個(gè)光子，就是一個(gè)黃綠顏色的燈或者是一個(gè)個(gè)波長(zhǎng)。1瓦的燈泡每秒鐘發(fā)出來(lái)的光子是10的18次方，這個(gè)能量非常小，我們?cè)趺窗阉鼫y(cè)試出來(lái)？講得通俗一點(diǎn)，就是假如說(shuō)我坐在一個(gè)萬(wàn)米高空的飛機(jī)上，向下面扔硬幣，這個(gè)硬幣要扔到下面一個(gè)儲(chǔ)蓄盒里面，儲(chǔ)蓄盒的投幣口是細(xì)長(zhǎng)的，而且我們做這個(gè)實(shí)驗(yàn)不是扔一個(gè)，要同時(shí)扔兩個(gè)方向都準(zhǔn)了，才能開(kāi)始做這個(gè)。舉這個(gè)例子后大家也能感受到這個(gè)難度。

探測(cè)一個(gè)光子的靈敏度要達(dá)到什么程度呢？我們地面站現(xiàn)在大概是1米的望遠(yuǎn)鏡，這個(gè)望遠(yuǎn)鏡可以看到的靈敏度相當(dāng)于，如果月球上有人有空氣，上面有人劃一個(gè)火柴都能夠發(fā)現(xiàn)。

第四，中國(guó)的科研組織和管理模式，為“墨子號(hào)”的成功發(fā)射提供了強(qiáng)有力的保障。我們國(guó)家的體制促成了我們的成功，整個(gè)實(shí)驗(yàn)不是由一家單位就能做成的，做這個(gè)很強(qiáng)的最主要的單位都參與了，是一個(gè)國(guó)家系統(tǒng)工程，是一種高科技比拼。對(duì)我們來(lái)說(shuō)，還是一種對(duì)科學(xué)的追求，因?yàn)檫@個(gè)東西失敗的概率很大，做的時(shí)候很痛苦，要有對(duì)未知探索的精神才能做成。

對(duì)中國(guó)式的科技創(chuàng)新，我總結(jié)了幾點(diǎn)：

第一，我們覺(jué)得原創(chuàng)的科學(xué)思想是靈魂。沒(méi)有原創(chuàng)的思想、沒(méi)有原始的創(chuàng)新就沒(méi)有這樣的成果。

第二，還是要感謝管理層的快速?zèng)Q策。一般如果管理層為了讓自己沒(méi)有責(zé)任，不匯報(bào)這個(gè)事情就做不成了。而對(duì)于科學(xué)領(lǐng)域，要想讓什么事情做不成，就不斷地論證，科學(xué)家不斷提出質(zhì)疑，來(lái)說(shuō)明這個(gè)事情有風(fēng)險(xiǎn)。但當(dāng)時(shí)我們中國(guó)科學(xué)院就決定要做，有問(wèn)題后面再說(shuō)。

第三，兵團(tuán)式的多團(tuán)隊(duì)聯(lián)合。也就是我剛剛說(shuō)的不是一個(gè)人做的，是一個(gè)團(tuán)隊(duì)，這跟做企業(yè)也是一樣的。為什么很多科學(xué)家有很多的發(fā)明，但是做不大，因?yàn)樗隙⒅约旱氖虑?。專業(yè)的人做專業(yè)的事情，科學(xué)家做科學(xué)家的事情，工程師做工程的事情。

第四，科學(xué)團(tuán)隊(duì)和工程團(tuán)隊(duì)的交叉融合，1+1>2。這里有一個(gè)故事來(lái)說(shuō)明這個(gè)結(jié)論。載人航天器里搭載了很多科學(xué)家的成果，過(guò)兩天就要發(fā)射了。這時(shí)有科學(xué)家提出說(shuō)，領(lǐng)導(dǎo)，我昨天晚上想到了半夜，想出來(lái)比現(xiàn)在還要好的辦法，能不能幫我們改一改？工程師說(shuō)，對(duì)不起，現(xiàn)在不能動(dòng)了，如果動(dòng)一個(gè)東西可能把全局搞壞了。這個(gè)故事說(shuō)的就是科學(xué)家和工程師怎么融合，把這個(gè)事情做成非常重要。

除了上面總結(jié)的四點(diǎn)之外，從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展來(lái)說(shuō)還有四方面需要注意：

第一，長(zhǎng)期支持，有所為有所不為。這個(gè)事情我們做成了，其中有我們的能力，也不排除運(yùn)氣比較好，這和量子一樣，也是有概率的。運(yùn)氣不好都變成0了，現(xiàn)在都是1。所以希望有長(zhǎng)期的支持，希望國(guó)家在后面還要支持我們做更高精的東西。

第二，要有寬容失敗的文化。這一點(diǎn)是最難的。我們爭(zhēng)取做這些事情的過(guò)程中，全國(guó)有那么多的科學(xué)家、那么多的idea，最后國(guó)家就選了你。然后你做了三、五年以后，說(shuō)對(duì)不起我什么都沒(méi)有成功，再給我一次機(jī)會(huì)。理論上是可以的，實(shí)際上卻是不可能的。但我們整體還是要有一種寬容失敗的文化，來(lái)確保創(chuàng)新的能力。

第三，多元化評(píng)價(jià)體系。不同的人有不同的評(píng)價(jià)體系，實(shí)現(xiàn)人才互補(bǔ)。

第四，在破壞性創(chuàng)新中發(fā)展高技術(shù)，才能從跟蹤到引領(lǐng)。

下面介紹的內(nèi)容是我們?cè)诹孔油ㄐ湃绾瓮鶓?yīng)用上推進(jìn)。比如做一些低軌的密鑰的分發(fā)，然后在國(guó)家的支持下做一些高軌的高精尖的研發(fā)。最近我發(fā)現(xiàn)一個(gè)很有意思的事，我發(fā)現(xiàn)商業(yè)的航天非常熱門，很多的資本都往這個(gè)方向去。我本來(lái)覺(jué)得航天是一件風(fēng)險(xiǎn)非常大，收益不可期待的一件事情。但是現(xiàn)在企業(yè)家的眼光比我們更遠(yuǎn)，覺(jué)得都可以投資，好多都已經(jīng)投到這個(gè)上面去了。

在這里面也有一些產(chǎn)業(yè)化的東西，比如以后天上有上萬(wàn)顆衛(wèi)星，生產(chǎn)衛(wèi)星就跟生產(chǎn)小汽車一樣，可能達(dá)到一天產(chǎn)出幾顆衛(wèi)星這種速度了。上萬(wàn)顆衛(wèi)星，我不要求每一刻衛(wèi)星都不壞，壞就壞了，1萬(wàn)顆衛(wèi)星上面壞了10顆沒(méi)有問(wèn)題。

現(xiàn)在做衛(wèi)星還不行，開(kāi)始做的時(shí)候老是盯你的進(jìn)度，必須什么時(shí)候發(fā)上去，符合“五年計(jì)劃”的安排等等。到最后一年一直跟我說(shuō)，你要確保成功，這個(gè)國(guó)際影響力太大，萬(wàn)一不成功不好交待。我覺(jué)得成功雖然是第一位的，但催趕進(jìn)度是不科學(xué)的，我該做出來(lái)就做出來(lái)了，可靠性的問(wèn)題是靠平時(shí)積累的，不是最后一年努力就可以把可靠性提高的。

以后還是要做成小型化的，衛(wèi)星也是一樣?！澳犹?hào)”已經(jīng)花了國(guó)家大概20億，這個(gè)花費(fèi)在算是很低的，但是要作商業(yè)應(yīng)用這個(gè)價(jià)格還是很高的，還要把它再往下降。

現(xiàn)在的衛(wèi)星是白天、下雨天運(yùn)行，或者是工作時(shí)間很短，我們要實(shí)現(xiàn)全天24小時(shí)量級(jí)，這樣才能真正讓大家用起來(lái)。這最快可能到2025年會(huì)有類似的衛(wèi)星，小衛(wèi)星這兩年就有了，大的、高軌的衛(wèi)星可能要再過(guò)四、五年。

擁有了量子技術(shù)，人類生活方式會(huì)有怎樣的改變？

量子力學(xué)是物理學(xué)四大基礎(chǔ)理論之一。上個(gè)世紀(jì)20年代以后，量子力學(xué)已經(jīng)滲透到各個(gè)領(lǐng)域和學(xué)科，比如半導(dǎo)體物理、量子化學(xué)，量子生物學(xué)，在很多地方都會(huì)起作用。這里我舉幾個(gè)比較容易理解的例子。

第一個(gè)例子是基于原子干涉的量子陀螺儀。陀螺是很古老、很傳統(tǒng)的東西，小時(shí)候拿一個(gè)陀螺，鞭子一揮就轉(zhuǎn)，那是最簡(jiǎn)單的。后來(lái)用的陀螺是機(jī)械的，以前我們做航空遙感的時(shí)候會(huì)用到，是液體的陀螺，用油的，必須加溫，提前2個(gè)小時(shí)要把它暖上，但是精度不是太高?，F(xiàn)在大量用的是光纖陀螺，用激光干涉的方法做的陀螺，這個(gè)精度比機(jī)械陀螺高很多。假如船上有一個(gè)陀螺，就不需要GPS這些東西，但現(xiàn)在這些陀螺可能十天、半個(gè)月就要矯正一次，它會(huì)偏掉。而用量子方法干涉出來(lái)的陀螺，可能半年、一年不矯都不會(huì)有問(wèn)題，能夠提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

第二個(gè)例子是量子定位系統(tǒng)。現(xiàn)在誰(shuí)也離不開(kāi)GPS了，甚至沒(méi)有導(dǎo)航系統(tǒng)都不會(huì)開(kāi)車了，這些系統(tǒng)對(duì)于民用來(lái)說(shuō)都沒(méi)問(wèn)題。這里又要說(shuō)到大氣了，底層大氣不但對(duì)光探測(cè)有干擾，對(duì)導(dǎo)航也是有干擾的。導(dǎo)航的科學(xué)原理就是，另外三點(diǎn)位置確定時(shí)可以確定第四點(diǎn)，只要算出這個(gè)點(diǎn)和這三點(diǎn)的方位和距離，這是最古老、最精準(zhǔn)的。但是到地面受大氣的影響，有一些應(yīng)用再進(jìn)一步提高精度就提高不上去了，這就是大氣的隨機(jī)干擾。如果用糾纏的方法提供一個(gè)量子的定位儀，就能把現(xiàn)在高精度的定位再提高上去。

第三量子雷達(dá)。量子雷達(dá)讓人不可隱形。原來(lái)是對(duì)抗、反對(duì)抗的，你要探測(cè)我，我要隱形起來(lái)。包括兩種，一種是可以產(chǎn)生干擾你的方法，讓你看不到我。還有一種是用糾纏的辦法，可以明確知道是我發(fā)的光子打到你身上回來(lái)的，這樣一來(lái)檢測(cè)的效率能夠比傳統(tǒng)的高很多。

量子測(cè)量還有一個(gè)例子。比如我們物理學(xué)上有七大物理量，包括時(shí)間、長(zhǎng)度、重量等。原來(lái)長(zhǎng)度是怎么做的呢？做一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的金屬尺告訴你這是1米，全世界就以它為標(biāo)準(zhǔn)。但是物理學(xué)家、化學(xué)家發(fā)現(xiàn)，隨著環(huán)境條件的變化，金屬尺一定會(huì)氧化的，這個(gè)尺子會(huì)在很小的精度上發(fā)生變化?，F(xiàn)在研究出來(lái)了，最不變的是最小的原子核內(nèi)部有一些原子的電子波段是永遠(yuǎn)不變的。當(dāng)電子從高能級(jí)跳到低能級(jí)，下來(lái)以后能量出來(lái)了，這個(gè)能量以光的形式發(fā)出，這個(gè)光發(fā)出的頻率是永遠(yuǎn)不變的。所以現(xiàn)在尺的長(zhǎng)度，用某一個(gè)原子發(fā)出來(lái)的頻率多少倍來(lái)定義，不用實(shí)物了，全部用量子的方法來(lái)定義。

量子計(jì)算出來(lái)以后，首先有了一個(gè)摩爾定律。摩爾定律原來(lái)的說(shuō)法是，每隔18個(gè)月半導(dǎo)體晶體管數(shù)目會(huì)增加1倍，價(jià)格會(huì)降低1倍。隨著半導(dǎo)體晶體管的尺寸接近納米級(jí)，電子的運(yùn)動(dòng)不再遵守經(jīng)典物理學(xué)規(guī)律，半導(dǎo)體晶體管將不再可靠。一般認(rèn)為摩爾定律還能適用10年左右。

摩爾定律的光刻機(jī)越做越窄，密度越來(lái)越高，耗能受不了。如果在網(wǎng)上我們做一次搜索，所消耗的能量相當(dāng)于11瓦的節(jié)能燈亮15分鐘到1小時(shí)。所以他們的工程師計(jì)劃將數(shù)據(jù)中心造到海水中去，用海水散熱。

再看量子計(jì)算機(jī)，人類用十進(jìn)制來(lái)計(jì)算，效率比較高。二進(jìn)制0和1實(shí)際上是最笨的計(jì)算方法，所以機(jī)器能夠理解。而量子可以是0狀態(tài)，也可以是1狀態(tài)，同時(shí)可以存在不同的狀態(tài)，所以用量子的方法來(lái)計(jì)算，效率會(huì)高很多。因此理論上，只要有300個(gè)量子比特，其承載的數(shù)據(jù)就能是2的300次方，這將超過(guò)整個(gè)宇宙的原子數(shù)量總和。而300個(gè)傳統(tǒng)比特能夠承載的數(shù)據(jù)只有2的300倍。量子的計(jì)算能力不可想象，幾百個(gè)量子組成系統(tǒng)的計(jì)算能力，是現(xiàn)在全世界所有計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的總和。

當(dāng)然越好的東西越是難做，什么時(shí)候能夠?qū)崿F(xiàn)我不知道。曾經(jīng)有科學(xué)家也開(kāi)玩笑說(shuō)，可能幾年就做出來(lái)了，也可能幾百年。但是確實(shí)全世界在量子計(jì)算領(lǐng)域都在發(fā)展，我們中國(guó)基本上和美國(guó)是并駕齊驅(qū)的。前一段時(shí)間構(gòu)建出九章計(jì)算機(jī)，驗(yàn)證了一種特殊的情況下，所謂的“量子稱霸”，或者是“量子霸權(quán)”，我們也叫“量子優(yōu)越性”。實(shí)現(xiàn)了某種情況下以量子的方法計(jì)算，比傳統(tǒng)的計(jì)算方法要快好多倍。

企業(yè)家們肯定最關(guān)注量子產(chǎn)業(yè)，我做一些簡(jiǎn)單的評(píng)論。

第一，量子通信是對(duì)目前傳統(tǒng)通信技術(shù)一種重要的補(bǔ)充，不是全面替代。但是就是這么一個(gè)補(bǔ)充，市場(chǎng)的容量也是比較大的。所以歡迎企業(yè)家能夠投資我們量子通信產(chǎn)業(yè)。

第二，量子產(chǎn)業(yè)的門檻是比較高的，新技術(shù)的含量極高，所以現(xiàn)在看到很多的是自上而下的，政府比較愿意推動(dòng)這個(gè)事。

第三，量子信息產(chǎn)業(yè)還是以IT技術(shù)為基礎(chǔ)，同時(shí)結(jié)合了大量的光電子技術(shù)。IT技術(shù)和光電子技術(shù)的融合形成了量子芯片，這已經(jīng)有很好的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)了，大家可以去做一個(gè)調(diào)查。

量子信息的核心技術(shù)原則上還沒(méi)有突破，技術(shù)上已經(jīng)很成熟了，學(xué)術(shù)爭(zhēng)論至今沒(méi)有結(jié)束，世界上有一派還在說(shuō)糾纏是胡說(shuō)八道，是唯心主義的。有一個(gè)朋友還特地打電話給我說(shuō)，不要做這個(gè)東西，這個(gè)東西是假的，偽科學(xué)。

總體上看，技術(shù)創(chuàng)新市場(chǎng)上有一大片風(fēng)險(xiǎn)。但是商業(yè)就在風(fēng)險(xiǎn)中，風(fēng)險(xiǎn)雖大，一旦成功了收益也很大，這是辯證法。在網(wǎng)上查到的很多量子的產(chǎn)品，絕大部分是夸大的，或者是概念的偷換。

中國(guó)式的科技創(chuàng)新，原來(lái)是追求“相同”，就是人家做了什么我也做什么，現(xiàn)在要追求“不同”，我不能跟著人家屁股后面走。要從“跟蹤”向“引領(lǐng)”跨越，我們?cè)诹孔涌萍忌蠎?yīng)該要引領(lǐng)國(guó)際潮流。我們也希望國(guó)家從“科學(xué)的春天”1978年能夠走向“創(chuàng)新的春天”。

最后，引用總書記在報(bào)告里面講的話作為結(jié)束語(yǔ)，中華民族一次又一次從困境中奮起，有一種特殊的基因，這種基因就是偉大的中國(guó)式創(chuàng)新?！疤煅邸碧娇铡⑸裰埏w天、墨子“傳信”、高鐵奔馳、北斗組網(wǎng)、超算“發(fā)威”……這些我們長(zhǎng)期想干卻沒(méi)有干的大事，讓中國(guó)“趕上世界”的夢(mèng)想實(shí)現(xiàn)了歷史性跨越。 

（本文根據(jù)王建宇院士演講錄音整理，未經(jīng)演講者本人審訂）

【關(guān)于科技創(chuàng)新院士報(bào)告廳】

科技創(chuàng)新院士報(bào)告廳是由深圳創(chuàng)新發(fā)展研究院、博研商學(xué)院、深圳企聯(lián)等共同主辦的一個(gè)高端開(kāi)放型科技講壇，在全球范圍內(nèi)邀請(qǐng)科技創(chuàng)新領(lǐng)域做出杰出貢獻(xiàn)的院士分享前沿科技發(fā)展、形勢(shì)、創(chuàng)新知識(shí)，以促進(jìn)科研與產(chǎn)業(yè)發(fā)展深度交流，增強(qiáng)深圳乃至全國(guó)的科技創(chuàng)新氛圍為目的。

報(bào)告廳會(huì)址設(shè)在深圳創(chuàng)新發(fā)展研究院，位于深圳科技創(chuàng)新的最前沿——深港科技創(chuàng)新合作區(qū)。 

【下期預(yù)告】

主題：氫能產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新模式與前景展望

演講嘉賓：甄崇禮（澳大利亞技術(shù)科學(xué)與工程院院士，新南威爾士大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院教授，新南威爾士大學(xué)中國(guó)尖端技術(shù)產(chǎn)業(yè)研究院院長(zhǎng)）

特邀主持：張思平（原深圳市委常委、副市長(zhǎng)）

時(shí)  間：2021年5月13日

地  點(diǎn)：深圳創(chuàng)新發(fā)展研究院·報(bào)告廳