来源：墨子沙龙
作者：王建宇
非常高兴今天有这个机会和我们潘院士、年轻的同事们一起参加这个活动，我和潘老师十年磨一剑，我们是2007年相识，就是为量子相识，今天也是为量子走到一起。我们这个实验室叫中科院空间主动光电重点实验室。刚刚潘院士已经讲了很多量子
我们再回顾一下。
量子的历史：
1900年普朗克提出量子论
1905年爱因斯坦提出狭义相对论
1915年爱因斯坦提出广义相对论
1917年爱因斯坦提出了光的受激辐射理论
现在有意思来了，爱因斯坦说过，他是对量子论持怀疑态度的，我们这颗量子卫星则是要证实量子力学的正确性，（而且证明的方式）用了老先生提出来的激光理论，用激光去证实它。
所以辩证法或者唯物主义来说，什么事都是实事求是，自己提出的东西也可以打自己。
因为今天我的题目是量子、激光和航天工程，我们来回顾一下历史。
卫星的历史
1957年，苏联人第一个发人造卫星，当时苏联是为了争第一，抢美国人的风头
1957年12月份美国也发射了本国的第一颗，美国人也很努力，但可惜失败坠落
美国很快就发了第二颗
1970年的我们中国的第一颗人造卫星也上天了，中国人跟得还是比较紧的
激光器的历史
回过来看，1960年美国人根据爱因斯坦理论造出了第一台激光器，我们中国人也不赖，1961年马上就造出来了，中国的第一个激光器，这个激光和传统的光源前面已经说了，因为它是受激的光源，它有很多特点。
一个单色性非常好，什么波长就是什么波长；第二个就是指哪打哪，我们现在一千公里，上面指下来打到哪里；和太阳光相比，它的波长比太阳要高10的10次方倍。
很快科学家把这两个特点联想到一起，激光这么好的东西我如果在天上用会怎么样？
美国人很多还是先驱者，在阿波罗登月的时候，那时候激光也有了，登月阿波罗工程还是一个伟大的工程，但是他要把这个做到天上去还是有困难的，所以他们就在天上埋了一个东西，我们叫激光反射器，地面激光打上去，照亮这个反射器，反射回来探测这个距离。1994年的时候，美国人第一次把激光装到克莱门汀的小卫星上面，拿它去探测月球。
在这之后，不断有新的成果涌现，我也非常高兴。我们中国2007年第一颗带激光的卫星上天，这颗卫星就是嫦娥一号，上面有一个激光高度计，这是我们团队做的。
这个是我们2007年做的一个工作，把我们中国第一台激光高度计送上天了，画出了月亮的三维图形，当时还比较自豪地说，原来美国人做这个是个斜轨道的，所以他（月球）两边测不到，我们号称是全世界第一次测到了月球两截的一个东西。
2007年，嫦娥1号搭载激光测高仪，进行月面地形测绘。该载荷由上海技物所研制。成功完成1年绕月，获取912万高程数据点，绘制3km格网月表DEM模型，填补国际月球两极地形空白.
这里还有一个比较，这个是原来美国克莱门汀上去的一个图，我们也做了一个比它的清楚。但是很郁闷，2009年美国人又打了一个，实事求是说，他画的图比我们的清楚多了，所以一下又被人赶上了。
激光有数不清的应用
实际上激光测距的技术可以做很多事情。
1.气象
比如这个是美国人做的一个（卫星），他就可以测量各个地方冰的变化，它测出来03年到08年，北极的海冰的厚度在逐步变小，就是温室效应。
2.全球地理
美国人也非常牛，他有一个LIST计划，我们现在看到的地形的测绘都是用相机相对测量完成的，这个存储过程比较复杂。如果我们可以用激光直接测量，所以美国人在2025年要发一颗卫星，全球5米的分辨率，就是每个5米就有一个激光点，所以可以把全球的三维测得非常清楚。 当然我们也在做这个工作，但是我非常遗憾地说，和它还是有差距的。
3.空气污染
激光还能测很多东西，还可以测大气，现在雾霾比较严重，国际上也是有很多人用激光来测雾霾。怎么测呢？道理说穿了也不难，激光发出后就是一颗颗光子，光子和雾霾的小颗粒发生作用，光学里叫散射，而且不同的物体对不同波长的光子的散射直径吸收都不一样，我可以利用这些数据来测量环境的变化。
2007年，上海技物所研制的激光测高仪随嫦娥一号月球卫星发射升空。
大家知道前两天公布的我们国家发的第一颗碳卫星，探测二氧化碳分布的，当然这颗卫星不是用激光，是用高光谱探测，但是国际上已经发了激光探测卫星，我们国家也在准备。
所以用激光可以测，我们叫气溶胶或者云探测，国际上面1994年就开始做了。这个叫CALIPSO，是美国发的第一颗测微粒的卫星，那么它测出什么东西呢？
2007年5月份，它测到了沙尘从中国西北地区进入北京，接着又测到了从撒哈拉沙漠到北美大陆的沙尘暴，所以说之前（沙尘暴会迁移）的推测是对的。
北京曾经有很多沙尘暴，前两天上海天也不好了，说不定就是北京前一段雾霾漂过来了，卫星确实测出了这个现象。
4.物质探测
激光还有一个很大的用处，现在我们要看宇宙，要看火星、看木星甚至更远，中国人现在总算看到月亮了，现在计划也要去看火星了。不像地球上，我拍了照片以后可以测量一下这个是什么东西？有可能多少年以后人把火星（上的物质）带回来，但是现在还是不行。所以要知道火星上面到底什么物质，激光有用。
它有一个原理叫激光诱导击穿光谱，是什么呢？激光足够强，打到一个物质上，就可以把物质气化，产生等离子体，不同的物质会发不同的等离子光，测量这个光谱就知道都是哪些物质了，这是个很重要的技术，深空探测非常有用。
美国人在11年做了一个，做得蛮成功的，所以18年准备再做一个，在火星探测时使用。美国人做了，欧洲紧紧跟上，欧洲人也在做。
这个是美国好奇号，当时探测的一个结果，它测出了着陆的地方有这么多化学元素。美国人2020年要发第二代，探测火星，中国也有这个计划，在2020年的时候，中国也要降落火星，我们的实验室非常荣幸，也要做这么一台东西在2020年发射到火星上去。
中国计划2020年向火星发射着陆探测器，搭载LIBS系统。
5.激光通信
激光还有一个非常实用的方面，我们做量子通信以后，人家说你们这个和激光通信到底什么关系？
确实有点相像，但是本质上完全不同，因为光是这么来的，我们最早用无线电，把信号载在无线电里，到收音机里把这个截出来，歌曲、讲话都能浮现出来。后来发明了电视，又把图像载到电视里面去了，那么这里有个什么区别呢？
最早的中国无线电它载波的波长很长，应该说是频率很低，波长很长，所以它能载的信息比较少，要用图像看电视这个频率就比较高了，所以你能调制进去的信号就多了。
所以像现在我们卫星向地面发信息一般都是用微波，可以达到每秒钟几百兆这个量级。现在卫星越做越复杂，信息越来越多怎么办呢？他们说光可以，光的频率比微波又要高好几个数量级。
所以现在用激光来载信息，这个是最先进的通信模式，当时科学家做了很多尝试，日本人是第一个做成的，九几年就有一个实验，有个卫星和地面通信一下，欧洲也做，目前来看欧洲人对这个比较痴迷，德国人08年做了一个实验，大概每秒钟可以载5.6G的，家里网络的带宽200M就已经很快了，它每秒钟是5.6个G，就相当于又高了好多倍。
日本人在这个问题上它是做得比较早的，但是最近一段时间停下来了。美国人也做这个，美国人后来居上，在2000年的时候做了一个激光，但是失败了，失败的原因是什么呢？天和地没对上，这个我后来会联系到我们量子卫星，其实这个对准是很难的，就是美国人他也有对不上的时候，他失败了，不过马上13年他把这个东西做到月球去了，从月球传了信息过来，从月地达到600多兆的数列，这个就是我们国际上也是第一个从其他星球用光把信息载回地球来。
优点
·通信频带宽、信息容量大
·光学增益大、激光束散角小
·抗干扰、保密性强
·体积小、质量轻、功耗低
缺点
·易受大气传输影响
·需要高精度、复杂的捕获跟踪与瞄准系统
·链路组网和广播通信困难，适合点对点通信
2001年的时候，我们在海洋2号上面，我们国家搭载了一个演示的装置，达到了500M的频率，我们这两颗量子星和载人航天里面都搭了类型的东西，在921里面我们现在是1.6个G，在量子星里面是5.12个G，当然现在还在实验当中，虽然没有正式公布成功，但是我是充满信心肯定会成功。
这个就是介绍的激光和空间的合作，前面我的感觉激光和空间上非常有用，有很多地方能用；第二我们中国人也不赖，每次都能紧紧跟上，但是大家可以发现有一件非常郁闷的事情，所有的东西都是我们紧紧跟上，哪怕有时候你超越人家一点，过两天又被人家赶上了。
下面我要说说我们量子卫星，应该说这件事情我们是领跑者。这里我觉得很重要的一点，中国某种意义上，技术上是可以努力达到的，关键是思想，如果不提出思想，再好的技术没用。
所以我下面来说我们这个量子卫星，刚刚潘院士讲了原理，我们彭总也讲了很多了，所以我们上去就是要做三件事，密钥分发、纠缠分发和隐形传态。这个刚刚也讲过了，我就不再说了，地面上一共有五个地面站。
激光与量子卫星
我这里要说的是什么呢？为什么我说量子、激光和航天技术，其实这三者是紧密相连的，我们这颗卫星和其它卫星相比最大的区别在哪里呢？
量子卫星依赖激光
比如说刚刚发射的碳卫星，它的原理是相对简单的，卫星用光学设备被动探测地面二氧化碳分布的情况，把信息收上去以后通过数传的通道把图像全部发下来，科学家进行分析就可以了。
量子星就复杂的多，除了传统技术以外，我们还有光的联络。第一个刚刚彭总说的，量子星是很亮的，从天上打下一个光。这就相当于两个人拿手电筒互相照，天上有信标光下来，地面让天上要看到地面站，地面有信标光上去，然后我在这里面，一个个光子是靠时间同步把它挑出来，有上下的时间同步光，
我还要做量子通信，我用天上发下来的量子光，还有地面打上去的，做隐形传态，地面要把一个个光子送上去，后来领导又要说，把激光通信载在里面，激光通信又要从上面把激光打下来，下面要把激光送上去，所以我们前前后后七八条光的联络，这个是其他卫星没有的，同时你看所有这些光的联络都由什么东西构成的呢？全部是用激光。
任务艰巨
大家可能问，你说量子卫星很难，难在什么地方？
简单地讲几件事情，第一个，卫星（从地面站上方经过）要抓得住（卫星打下来的光）。我不仅要找得到，而且要跟得牢，而且光（从卫星）打下来要打得准，怎么做呢？
卫星从地面发射后，因为卫星是绕着地球转的，它出来以后到5度的时候，地面站就要寻找卫星。量子卫星做纠缠分发，第一个要求就是卫星一出地平线，大于1000公里的时候找到两个地面站，卫星在天上飞行的速度是每秒7点几公里，将近8公里，在这么快的速度地面站也要跟住卫星。
?抓得住
我简单介绍一下这个过程，卫星出地平线后，我借用（天文台的）望远镜守株待兔。国家为什么要建这么多天文台？天文台看东西的技术还是很好的，想看什么地方它给你指什么地方，卫星轨道运行以后是有预报的，这个预报精度也很高，它可以告诉你某一刻在什么地方，大概精度是几百米。
天文台的望远镜在卫星出来后就从地面就照一束光上去，这个就是地面的信标光，红颜色的，照到卫星上，卫星一看到这个光，知道了，下面在打招呼了，它就赶紧向下发一个绿颜色的光，这两个一对眼，他们都看到了，然后卫星跑一点，光就跟一点，死死跟住卫星，就这么一条轨迹，最后我们就可以做通信了，这个就是抓的过程。
跟得牢
第二个，只抓住光还不够，量子光是一个个光子，和激光不是一个光族的，是不同地方发出来的，所以我要把它对绕。
举个例子，这个相当于是星上发下来的量子光的分布，红色是地面站，如果我不放在中间的话它的信号就小很多，所以我要跟绕卫星，而且把量子光打得准，我们通过自主设计的一套系统复合轴跟踪，怎么操作呢？
先把大的找到，我们有一个粗跟踪相机，再把它细分，先把这个光引到大的里面，再从大的里面引到更精细的，最后达到秒量级的精度，才有我们整个一路跟过去的结果。
打得准
我们完成以后还是比较自豪的，第一我们抓得住，抓得很快，光出来一秒钟我就把它抓住了，也时候光被云遮住了，再抓，零点几秒就能抓住了，第二个我盯得牢不牢？
大家可以看一下数据。国际上一般是欧洲人做这个，大概最后能抓到是1.5个微弧度，我们现在修整以后同样也能做到1.5个微弧度的，构造大概的精度是一样的，但是我们的比他难，难在什么地方呢？第一个我们是一拖二，我们一个要打两个。第二个，他们做的这些实验都是在星间做的，没有大气，我们是要透过大气层，光透过了大气层以后会抖动的，所以在这个基础上，我们现在至少是国际最前沿的水平。
?偏振态保持
大家知道，一个手电筒，你把它的光调的很细了，就可以看得很远，现在我们要（把光）调到理论上接近极限。
还有一个很难的事情，就是刚刚说的做通信、计算机会有0101，我们（量子力学）的0101是指光的偏振状态。
大家知道光有一个特性，它会不停的振动，我们可以利用它的这个性质。比如有一种立体电视，它就是利用这两种不同振动的方向，一个眼睛接收水平的，一个眼睛接收垂直的，合成出来就变成一个三维的。我们在这里面也利用了偏振的特征，就是根据不同的偏振方向确定不同的量子状态。
但是偏振也给我们带来很多麻烦，它经过光学系统以后它会变，比如一个垂直振动，一个水平振动，经过某一个镜片后，它变到45度振动了，你搞不清楚它原来到底是水平的还是垂直的，这样我们就没法做实验了。
所以我们要想办法，要么让它保持状态不能变化，或者我能测出来它变了多少，大家一起变，这就是我们要做的偏振态保持。
测量这两个的时候，还有基矢，一个水平偏振一个垂直偏振，你发的时候，我有一个坐标是这么放的，如果地面这个坐标现在和你不一样，两个都对不上，但是恰恰卫星在绕地球转的时候，卫星上的基矢是团团转的，所以我们要把它找回来。
所以我们做了很复杂的一套系统，在基矢往这个方向转的时候，想办法把它转回来，或者测量下来，在地面上把它转回来，让两个基矢死死地咬住，我们专门做了很多实验，到飞机上、在地面上，验证了我们这个方法是正确可行的。
?单光子探测
还有一个难点就是探测单个的光子，我印象中，潘院士第一次见我们的时候，他就说：“王院长，这个还是很难的。”
我们要从一千公里的高度把一个个光子发到地面上，当时确实是很困难。现在有单光子探测器，一个光子过来会出一个脉冲，我们用这个办法可以探测到一个个光子，但是这个光子确实是有点远，目前是从上千公里外发出来的，我们难在什么呢？就是我们想了很多办法，我们上面一个望远镜收到的不单单是这个光子，还有很多其他的光，比如卫星发出的信标光，这个信标光是为了方便跟踪的，所以越亮越好，越亮跟的越牢，但这就和探测矛盾了。
量子光是一个一个光子，这就相当于从大海里面找出一滴水，非常的难。光学上可以用频率的绿波，用空间把光的颜色分开，不同频率的光走不同的地方，然后我把光遮掉，还有一个技术就是用时间滤波，我知道这个光大概什么时候发出的，上面的同步光打下来，我就把这一段时间的挑出来。
这个红的就是我发出来的量子光，绿的就是她暗计数，但是如果计数里有一个绿的进里面了，那就增加一个噪声了。因为这些技术太专业，如果形象一点表达，我们相当于什么呢？相当于对准技术，相当于我在万米高空的飞机上向地下扔一个硬币，这一个硬币相当于一个光子，飞机飞行的速度模拟卫星飞行速度，当然卫星是没办法那么快，但是因为飞机低，所以角速度是差不多的。
这个硬币下来以后，我在地面随便放一个储蓄罐，要从一万米高空把硬币投进这个储蓄罐。
储蓄罐的投币口一般都是细长的，这个相当于是偏振，它是有方向的，一定要把控好，所以我这个硬币不但要打中它，而且要把它方向对好才能扔进去，而且扔的时候要像做纠缠实验，一扔不是扔一个，要两边都扔准才行。
第二个，我们探测一个个下来的光子，探测器的灵敏度相当于呢？我们做了一个计算，一根火柴划一下大概有10的17次方的光子，我们的探测能力相当于在地球上要发现在月亮上有人划了一个火柴，我们要把它探出来。
我们还要在每秒一亿个光子里面，搞明白我们探测到的是第几个光子，这些光子都是排好队的，我抓一个，要知道它是第几个光子，这样我才能用来做密钥，这是非常简单的一个小节。这个是我们量子星发射前的留影，这个就是把它装在火箭的头上出发了，谢谢大家！
