国外都没做的东西我们做不做？不但要做，还把它做成国际领先

大家好，我是来自中国科学院量子创新院的廖胜凯，想给大家讲讲“墨子号”和“济南一号”卫星研制的故事。

我今天的分享，是希望这些信息能传递给每一个人。但是，还有一些信息我不并希望别人知道。比如在网上采购时我的银行账号和密码，再比如战争中指挥官给前线战士下达的指令，这些信息要做到保密。

怎么保密呢？我们能不能把想传递的信息放到箱子里，再加把锁，然后让快递员送到对方手中呢？这样有钥匙的人就能把锁打开，把信息还原出来。这其实就是最原始的加密和解密过程。

▲公元前5世纪古希腊斯巴达人加密术

在2000多年前，希腊的斯巴达人就开始运用这个原理了。最初其实很简单，他们不再直接把自己要传递的信息写到纸上，而是让这个纸条先绕着一根木棒旋转，然后再在上面写字。

传送的时候只把这张纸送到对方手中，这个木棒是不传出去的。当别人看到纸条时，里面的信息都是乱的，看不出要表达的信息是什么。但当接收的这个人拿同样规格的棒子用它缠绕起来后，就能读出原来的信息。虽然这个加密方式比较简单，但它开启了密码学的历史。

▲二战时期德军Enigma密码系统

到了二战时期，加密的手段就变得非常复杂了。德军的恩尼格玛（Enigma）密码系统有一亿亿种组合，大家很难把它破解出来。那是不是就没有了破解的方式呢？其实不是的。

▲左：德军恩尼格玛（Enigma）密码系统

右：“炸弹”密码破译计算机

图源：三思科学、知乎@时空通讯

当时，英国科学家图灵和他的团队发明了“炸弹”这个强大的解密装置。它是一个速度非常快的计算机，破解了德国人引以为豪的恩尼格玛密码系统，加速了二战的结束。

也就是说，密码和计算机形成了类似于矛和盾的关系，密码就相当于盾，而矛就是计算机。实际上，目前的传统密码体系基于一个叫做计算复杂度的问题。意思就是密码原则上是可以被算出来的，但是需要计算机花上百年、上千年。比如说我的银行账号密码虽然可以被算出来，但可能上百年之后才能得到结果，到那时候其实已经没有意义了，账号里面早就没有钱了。

然而，现在的超级计算机，包括全球正在研制的量子计算机为代表的超强计算能力对传统的密码系统提出了一个非常大的挑战。理论上讲，量子计算机可以破解所有的RSA类非对称的传统密码体系。

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那什么是量子呢？量子是微观粒子，看不见摸不着。

▲从左到右：分子、原子、光子图源：DSTOR.COM

大家都知道一些微观的粒子，比如分子、原子、光子等等，但它们表现出来了非常多的量子特征。

量子是能量的基本携带者。比如我头顶上这个灯泡可能有100瓦，当你用一个衰减器使它不断衰减，衰减到1020、1021的时候，可以看到它是一份一份蹦出来的能量，叫做光子。

这个离散的、量子化的理念推进了量子力学的研究，于是才有了现在量子信息领域的发展。没有量子力学，可能就没有现代芯片，没有激光，也不会有我们现在这么方便的信息社会。

在这个过程中，量子不可分割和不可克隆的特点正好又给予了我们一个新型的传送密钥的手段。总体来讲就是，发射端把信息用一个个的光子编成0和1的状态，然后传送到接收端。接收端拿到的这个光子的信号，别的窃听者是拿不到的，而且也没有被照相机拍过。用它结合一次一密的加密方式得出来的这种加密系统，就算用再强大的计算机也破解不了。

▲左：Charles H. Bennett右：Gilles Brassard

这个想法其实在1984年的时候就由贝纳特（Bennett）和布拉萨德（Brassard）两位科学家提出过，他们也是受了20世纪60年代一位科学家提到的量子钞票的影响。

虽然量子钞票我们还没有造出来，但是在这个思想的启发之下，科学家们提出了量子密钥分发。接下来，能不能通过实验让它真正成为一个能保密的系统呢？

▲左：ACM Sigact News 20, 78–80 (1989)

右：PRL 98, 010505 (2007)

左边是想法提出5年后的第一个实验里，这个系统才能传输32厘米。大概20年以后，光纤信息通道距离就被做到了100公里，开启了产业化研究。那利用光纤的方式能把量子密钥做到千公里、万公里级别吗？这里面的挑战非常大。

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光纤类似一个水管，光子在里面传输的过程中会被水管给吸收掉，这其实就是损耗。这个损耗大概有多少呢？100公里之后，光子数只剩下到原来的百分之一，200公里以后就只有原来的万分之一了。到1000公里以后就有1后面20个0的一个损耗。所以要做到更远几乎不可能。

我们能看到远方的恒星，能探测到数亿光年的星光，是因为在太空的真空环境下，光子的损耗几乎可以忽略不计。那么，有没有可能利用这个特点，结合卫星实现更远距离的密钥传送呢？

这其实就是我们最开始的想法。当然，即使真空里几乎没有损耗，但从卫星把光子打到地面进行探测，还需要穿过中间的大气。

▲2003年，13km量子密钥分发地面实验

因此，我们的第一个实验就是要探究光子穿过大气之后，量子的状态还能不能得以保持。这个实验大概是在2003-2005年完成的，首次证明了这个事情有实现的基础。

那时候我还在上本科，学过量子力学的课程。虽然考过90分左右，但是我对量子力学里面的一些概念还是感到苦恼，有一些迷茫，其实可能跟大家第一次听到量子这个概念时一样。

很幸运的是，我在读研究生的时候，就想把我的电子系统这个专业和卫星结合起来。正在这时，想做卫星量子通信的潘建伟老师团队和我的导师王建宇老师的团队建立了合作，因为我们有一些非常好的卫星技术。

我们首先想做的关键核心是什么呢？就是要把天上的光子准确地“扔”到地上的望远镜里。望远镜不可能无限大，所以就要扔得非常准。比如上海到广州之间大概1200公里，指向的准确度我们希望能控制到1米左右，类似于卫星上一个手电筒打过来的光斑尺寸大概也就12米，这样就能有效控制星地之间的损耗。

最早的时候，国外有的类似的技术，但我们的指标要求更高，一开始我们也希望从国外进口，但是他们不卖给我们中国。所以王老师带着我们几个学生，像草根一样，从0开始把它做起来。

我们花了2年多的时间，在成都验证了技术上的可行性。这是当时三十几度时，我们在一个篮球场旁边戴着草帽做实验的照片。当时大家心里都非常喜悦，因为我们做出了一个原来觉得不可能的事情。

把跟踪瞄准技术和量子信源探测器等融合之后，我们形成了真正的量子密钥分发装备。但是，仅仅在实验室验证还是不够的。

▲2010年，量子密钥分发地面实验

于是，我们就想着要模拟卫星到地面的远距离损耗，还要模拟卫星飞来飞去的相对运动，所以我们把它搬到了青海的这个试验场里，把它放到了车上、吊车、吊篮上面验证。

 ▲2010年，实现车载浮空平台百公里量子密钥分发实验

除此之外，我们还把它放到了大的浮空热气球等各种环境里，让它在远距离下相对运动，由此来验证我们这个实验到底能不能做成。

做这个实验的时候还是挺辛苦的。这个实验只能晚上做，白天我们要不停地准备。在外场时我们基本都是坐在草地上，饿了就吃点干粮，晚上很多时候都是通宵。

我们从5月开始做实验做到了10月，直到整个青海湖都结冰了，才终于克服了各种设备的不稳定性、环境的各种干扰等等，完成了实验验证。正是因为这些数据，表明了卫星是具备可行性的。

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到2011年，在潘老师的带领下，我们完成了世界首颗量子科学实验卫星的立项。

除了星地的量子密钥分发实验之外，卫星还有另外的两个科学目标，即量子隐形传态和量子纠缠分发的实验。

▲左：地面仪器

右：太空仪器

以前我们这种精密设备都处在实验室的恒温、恒湿环境里，连震动也没有。但是搬到卫星上后，没有人可以上去维修。而宇宙里的射线、太空环境的高低温和真空、火箭发射时激烈的震动等等都考验着设备。我们必须要保证这个设备万无一失。于是，我们打了5年的“怪兽”，最终解决了这些问题。

▲2016年，世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”成功发射

2016年，我们成功地把“墨子”号卫星送上了天之后，随后紧锣密鼓地开展了卫星到地面的星地实验。

▲图源：陈颖为

这是一张在兴隆拍的照片，非常漂亮的景象。

▲图源：朱进

这是在乌鲁木齐南山拍的，绿色的线是卫星发射下来的光，红色的线是地面的台站打上去的光。

看上去兴隆的光更红一点，实际上是因为兴隆大气里面的灰尘更多一些，会散射出更艳丽、更强的光。

▲图源：Nature 549, 43 (2017)

我们大概花了四五个月的时间采集完成了星地量子密钥分发的实验数据。这个成果在2017年7月发表在了《自然》（Nature）杂志上，实现了国际首次星地量子密钥分发实验。在1200公里的距离上，跟同等距离的光纤信道相比，我们的光子密钥分发效率提升了20个数量级。

我们做成这件事之后，很多国家也都想做，其中有潘建伟老师的导师奥地利科学家安东·塞林格（Anton Zeilinger）教授。他们当时也想做这个，但我们比较努力，决策也比较快，把这个先做成了。

我们的实验完成了之后，塞林格教授就马不停蹄地飞到中国来，请求加入我们团队。我们帮他一起改造了他们的一个地面站，实现了星地密钥分发。

▲图源：廖胜凯、PRL 120, 030501 (2018)

同时，我们用卫星互联了欧洲和亚洲这两个地面设备，支持了量子保密通信的会议。这个成果在2022年的诺贝尔奖发布会上作为领域的一个重要成果进行了展示。

▲左上：欧盟量子技术旗舰项目

右上：美国国家量子驱动计划NQI

左下：新加坡SpooQy-1（2019年入轨）

右下：美国CAPsat 探测器（2021年底入轨）

“墨子”号和量子隐形传态、量子的纠缠分发实验成果一起点燃了国际上的研究热情，欧洲、美国也极大地加大了这个领域的布局，各种计划也被提出来了。

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实际上，“墨子”号还只是一个实验装置，成本、体积、功耗都还比较大。如果是要用它传送密码，以它的服务能力来讲，服务的用户还是有限的。

除此之外，它还只能晚上干活。这也是我们当时在青海湖做实验时常常吐槽的一件事情。有时候白天只能做一般的准备工作，晚上才是通宵达旦的连接。我们想要的就是更多的服务能力，我们想像SpaceX一样发射更多卫星。但更多的卫星就意味着更多的成本，那单星的成本能不能降下来呢？

于是，我们又花了几年时间把“济南一号”卫星的尺寸压低到了“墨子号”的6分之1，成为百公斤级的卫星。国内要把卫星打到太空的每公斤成本大概在10万块钱左右，这个成本还在陆续下降，但卫星越小总是成本越低。

为了解决问题，我们只能迎难而上。这个过程中涌现出了一些非常优秀的伙伴。像2022年在发射前的总装总调环节，也因为疫情原因，有工程师大概80来天都待在实验现场，一直都回不了家。

在2022年7月份，“济南一号”卫星成功送上了天，之后还完成了和地面的互联，实现了实时密钥分发。同时，我们利用光的信道完成了星地之间的光通信。也就是说，除了送密钥，同时还可以传递加密的密文。

我们开玩笑说，“济南一号”就相当于在太空运行的一个邮递员，我们叫它“量子安全的邮递员”。

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我们前面提到白天为什么做不了实验。其实很简单，白天大家不用戴什么夜视仪就可以看到很多东西，这是因为有太阳光，有各种各样的散射。对于量子密钥分发来说，也就是对于以量子的方式用光子来进行千公里的传送和探测解码这件事来说，这是一个极其大的噪声。白天背景噪声的光子强度大概是夜晚的105-106量级，需要攻克非常多的关键技术。

攻破这个问题的好处会是什么呢？对于低轨的卫星来说，它们大概在50%的时间里受太阳照射，如果我们攻克了白天噪声环境下的密钥分发问题，那至少白天晚上都可以做试验了，增加了50%的实验时间。

对于更高轨的卫星来说，它们被太阳照射的时间更长。比如地球同步卫星（GEO卫星）大概在99%的时间里都是被太阳照射的。如果攻克了白天的技术，中高轨的卫星也是有希望能实现的。高轨卫星就跟我们现在的广播电视卫星一样，三颗卫星就可以覆盖全球。当地面想跟它互联互通的时候，它就在你的头顶上。

2017年时，我们在青海完成了一个演示性白天量子密钥分发实验，大概做到了白天自由空间信道53公里。这个距离到现在（2023年）为止仍然是世界纪录。

当然，我们已经把它的实验时长和鲁棒性（稳健性）进一步升级了，也就是说我们具备了研制更高轨卫星的基础。希望我们能在2026年左右把新的中高轨卫星研制出来，构建一个星地之间的量子密钥分发网络，为我们的信息安全做一份贡献。

同时，中高轨的卫星不仅仅只有量子通信这一种应用。我们用一些调控技术使它也应用到了量子的另外一个领域，即量子精密测量。我们还可以在上面研究更精密的光晶格钟，能比现在的北斗卫星导航系统或者是GPS上的钟的指标要高5-6个数量级。这样就能建立更大的、空间尺度的实验平台，为开展量子基础物理的检验、暗物质的探测、引力测量等工作提供一个新的实验平台。

这是一张多年前我们和“墨子号”的合影，是我非常非常喜欢的照片。我们的研究从0开始，国外都没有做过。最早的时候很多人说，国外都没有做，你们为什么要做？但我们现在把它做成了，国外也有非常多的研究者开始研究我们的一些工作。这让我们觉得，我们走到了世界的最前沿。

研究的过程中有非常多大胆创新的想法，还有脚踏实地的工作。没有这两者，我们很难真正把想做的大的、国际领先的科学工程做出来。

我们也会有一些意外的收获。比如在发射卫星之前，我们争相跟卫星拍照留念，因为以后我们可能就看不到这个卫星了。但是“墨子号”卫星发射之后，我们仍然有机会像这张照片一样，跟它在空间尺度上面来一个漂亮的合影。

谢谢大家。

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