王建宇：量子科技的創新趨勢與產業化前景

編者按：2021年4月15日上午，深圳創新發展研究院、博研商學院、深圳企聯共同主辦的“科技創新院士報告廳”正式啓動。作爲科技創新院士報告廳的首秀，邀請到中國科學院院士、中國科學院上海分院原院長王建宇，作爲全球首顆量子科學實驗衛星“墨子號”常務副總設計師、衛星總指揮，王建宇院士圍繞“量子黑科技：創新趨勢與產業化前景”做了主題演講。

以下內容根據王建宇院士演講記錄整理，未經講者本人審閱。

量子科技的創新趨勢與產業化前景

非常高興來到科技創新院士報告廳和大家進行這麼一場交流。我來分享一下大家比較關心的話題：“墨子號”到底是做什麼的，量子技術發展會給我們帶來什麼。

一

神秘的量子世界和光子的特性

首先給大家講一講量子到底是什麼。這個概念對於學物理的老師來說可能不太困難，但對於大衆來說確實有點考腦子。二十世紀物理學有兩大非常重要的發現：一個是大家比較熟悉的愛因斯坦相對論，另一個是科學家普朗克1900年提出的量子論。這兩個發現都很偉大，其中和我們生活更加密切相關的是量子論。因爲沒有量子力學、沒有量子論的發現就沒有我們現在的集成電路、半導體工業，大家手上的手機也通通沒有了。當然，大家相對熟悉的愛因斯坦也是量子領域的奠基人之一，他的第一個諾貝爾獎就和量子有關，他發現了光電效應。

這張照片是1927年布魯塞爾第五次索爾莫會議的合影，這是一張傳說中集中了地球上1/3智慧的照片。上世紀20、30年代對物理學進步作出巨大貢獻的科學家都在這個照片裡。這個會議爲量子力學的發展奠定了基礎。

量子力學這麼早就奠定了基礎，爲什麼今天又重新提出來？因爲在量子力學的基礎上又發展出了量子信息學，具體包括三個應用方向：第一是量子通信；第二是量子計算，我認爲這比量子通信更神奇，甚至覺得這個有可能成爲今後顛覆世界的一項技術，就是用量子的方法替代傳統的計算。第三是量子精密測量，測量作爲最基礎的方法，原來很多是用機械的方法，現在很多是用電子的方法，而今後要用量子的方法來測量。

這三大內容，原來由於對量子世界的認知有侷限性，不能很清楚地認知。經過了一百年左右的努力後，現在不僅能夠清楚地認知了，而且可以去控制它、使用它。

下面要介紹一些量子力學的基本概念，要馬上理解它或者弄懂它可能比較困難。在量子力學中，科學家一開始提出了波粒二象性。中學生物理學第一課是牛頓力學，講的是粒子間有距離、有加速度等，這個速度、位置就相當於一個粒子的特性。這個特性與宏觀世界裡繩子一甩一個波出去了，或者扔一個石頭水裡面有波了，好像毫無關係。但是科學家後來發現，在量子力學裡，兩種特質在一個微觀粒子上會同時出現，既有粒子性又有波動性，兩者融爲一體會有很多奇奇怪怪的事情出現了。這是量子力學中的一個重要概念。

第二個概念是所謂的量子比特。在計算機的世界裡，0就是0，1就是1，這兩個是完全對立的東西。而在量子力學裡不是這回事，0和1是可以同時存在，是疊加的。比如說到量子貓，外國人說貓到底是活的還是死的是不確定的。這就是經典比特和量子比特的區別，用嚴謹的話來說，量子比特是一種概念性的存在。

外國人有時候挺幽默的，民衆問科學家量子貓到底怎麼回事？他說我做一個實驗給你看，我把一個貓關在一個籠子裡，籠子裡做一個裝置，放一個放射性的物質。對於放射性物質的半衰期是確定的，但是什麼時候放出一個粒子出來你是不知道的，是隨機的。籠子裡那個裝置的作用在於，如果在一定的時間裡有粒子衰減，裝置可以探測到釋放出的毒氣，有毒氣出來貓就會被毒死。

安裝了這麼一個裝置的籠子把門一關，就問你了，這裡面的貓是死的還是活的？我們肯定回答不出來，因爲某種概率放出來貓是死的，不然就是活的。此時關着門的這個狀態就非常形象地說明了量子現象，要知道它的結果必須把門打開。但一旦把門打開就把原來這個狀態破壞掉了，就是我們說的從量子態到經典態。

這個例子確實表現的是比較外國的思維，用中國人的思維舉例也是可以的。比如轉硬幣，轉動結束時朝上一面是國徽還是字？那麼一定有一半的人回答正確，一半的人回答錯誤。但是如果轉動100次，幾次是字幾次是國徽呢？這兩種情況比較形象地描繪了量子態，這個狀態在不測量的時候你是不知道的，而一旦測量就從所謂的量子態退回到經典態，所以量子態不容易測量，一測就變。

這會引起另外一個結果，就是量子狀態是不可測的，或者說量子是不可克隆的。我們在用微信發消息時，很多的信息都是拷貝的。但在量子世界裡是不能拷貝的，一旦拷貝必定有一部分是錯誤的。以前深圳電視臺放過一個“拷貝不走樣”的節目，一排人依次傳話，傳到最後都面目全非了，有點像這個狀態。

很多人會問，量子世界你們說得那麼神奇我們爲什麼看不到？物理學家說因爲這存在於微觀世界，所以在宏觀世界你是看不到的。有人追問，那什麼是微觀世界？什麼是宏觀世界？他們的分界線在什麼地方？我今天可以告訴大家，沒有一個物理學家能夠把這個問題回答得好。但是微觀世界這些奇奇怪怪的現象實際上我們都已經在應用了，我們的集成電路很多用了這個原理來進行計算，所以量子世界確實是存在的。

二

中科院先導項目

——量子科學實驗衛星“墨子號”

接下來要講的是“墨子號”。在此我要糾正一下，很多人叫做量子通信衛星，泛泛來說是對的，嚴格來說是不對的。因爲我們發射的是一顆量子科學實驗衛星。兩者間有什麼區別呢？如果是一個量子通信衛星，應該是一個實用化的衛星，要承擔量子通信的任務。而“墨子號”要進行的是科學實驗，有幾大任務，主要是驗證物理學上的一些原理。

這得到了中國科學院空間科學先導專項的支持，我們當時發射了四顆衛星，“墨子號”是其中一顆。主要將當年量子物理學家潘建偉院士的一些想法，通過這個衛星在天地一體的範圍裡面實現。比較形象地說，就是建立一個幾千公里範疇的大實驗室，潘院士通過這個實驗室完成他的科學實驗。

“墨子號”的任務包括三方面。第一，要進行星-地量子密鑰的分發實驗。有很多人認爲現代科技發展很快，以前是電的通信，後來又出現光的通信，光的通信集成電路已經發展得很好了，現在互聯網又這麼發達，量子通信是不是比光通信還要先進，將來要把光通信替代掉？這個想法是不對的，量子通信是現代通信手段的一種補充，在通信當中只產生密鑰作爲保密的保障。

和我同齡的人應該都知道文化大革命的樣板戲《紅燈記》，當時我們沒戲看，就看《紅燈記》那樣的八大樣板戲，故事裡面被搶來搶去的就是密電碼，游擊隊在傳送的過程中日本鬼子要截取它。這就表示密碼是通信保密的手段，對方一定會截取，而最容易截取的環節一定發生在傳輸過程中。

現代的密碼也是這樣，用再好的計算機產生出來的密碼，一定要比對方強。這種對傳送過程的要求，無論是對於現代傳輸手段，還是經典的人傳都是一樣的。現在我們國家很多戰區的密碼傳輸方式要更換了，有時候還是一個人拎着一個密碼箱，將硬盤送過去的。

物理學家利用了量子的方法，創造了一種在傳遞過程當中不可破譯的密碼。我們說世界上沒有絕對的事情，有一定道理。因爲如果在使用密碼的地方碰到間諜，他把這個密碼竊取了，這就不是物理技術能夠保障的範圍了。但是在傳輸的過程中確實是不可破譯的，因爲一旦有人竊聽，馬上就會知道。怎麼能夠做到這樣，我用比較通俗的方法給大家做一個簡單的介紹。這裡要說明一下，因爲我是做工程的，介紹這些內容時可能不太嚴密，如果請潘建偉院士講就不會這麼講，因爲物理學家的每一句話都是要很嚴謹的。

前面我介紹了量子的兩個重要特徵，一個是波粒二象性，另一個是不確定性。這裡再補充一個非常重要的特徵，即世界萬物分到最後，必定一個最小的單元是不能分割的，就是“量子不可分”。這好像和毛主席說的“世界萬物可分”的哲學原理有點不一樣，我當時也感到挺疑惑，到底哪個是對的呢？仔細想想哪個都沒錯，比如水，分到最後，問最好的化學家能不能分出半個水分子，他確實怎麼都沒有辦法了。但是從物質的範圍內，可以分出一個氧原子和兩個氫原子。因此從唯物主義辯證角度來看，上述兩種說法都是對的。

在這些原理的基礎上，我們來看傳輸過程中不可破譯的密碼。舉一個例子，我現在生產一批密碼，這批密碼用光來做。光分到最後，是一顆顆光子，因爲有波粒二象性，既有運動的特性，還有波動的特性。波有不同的形態，用學術名詞來說叫作點陣，運用這個可以把信息調製在光子的振動方向上。一堆光子過去以後，如果密碼接收方有能力把光子的振動測出來，他就可以得到和我一樣的信息。比如我發1萬個光子過去，發的過程當中對方不可能將這1萬個光子全部接受，可能接收了1千個。這時只要告訴我，1萬個裡面哪幾個收到了，我就知道，這些可以拿出來做密碼。

這個時候有人說，我可以來截取，你發了1萬個，密碼接收方收了1千個，我可以拿到2千、3千個。那麼此時他拿到這2、3千個有沒有用？按照量子的第一個原理，截取的單光子不可分割。對於密碼接收方拿到的1千個光子，再有本事的人也不可能再拿到，拿到的也已經不是這個東西，是另外的東西，所以截取是沒用的。

現代通訊手段裡，很多密碼都是可拷貝的。一個信息在傳輸過程中，既讓你收到，中間又被偷出去讓他收到，纔會泄密的。而一個光子只有一個方向，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生密鑰，量子的不可分割性原理從中發揮了作用。

對此，物理學家提出要找漏洞。提出假如有人有辦法把所有發出的光子都收走，再拷貝一份給我，那麼所有的密碼我就都有了。這個方法行不行？對於第一個漏洞，竊聽方法“複製”以後再分發，這裡要運用量子力學的第二個原理，單光子不可克隆。

具體來說，光子被測量一次再拷貝出來製造一批的話，一定有25%的概率是錯的。所以如果收到1千個光子，拿出100個來對一下，全都對得上的話，說明傳輸過程肯定沒問題。如果發現有一個錯的，那有可能是信道當中的誤差產生的錯誤。如果有10個、20個是錯的，就要考慮是不是傳輸過程中就有人在竊聽了，竊聽以後拷貝再分發給我的。量子的第二個原理決定了被複制的光子不產生密鑰，只要發現被竊聽複製的密碼就不能用了，一定要用沒有錯的。

只要滿足上述兩個條件，就說明我們產生出來的密碼別人一定是沒有竊聽過的。或者說一旦有人竊聽，我們一定是知道的。所以說絕對安全的密碼分發是可以實現的。

物理學家又進一步研究了很多，什麼東西有漏洞、什麼東西有缺陷，有可能還會被別人攻擊，不斷用新的方法解密。但是“墨子號”現在要做的第一個任務就是，把密鑰分發送到天上去。

有人會問通信現在很多都是用光纖的，你們爲什麼要那麼麻煩弄到衛星上去，又花錢又不可靠？因爲在地面所有的網絡裡面，光子在光纖裡面走是有損耗的，超過100公里以後它損耗往往是不能承擔的，有很多科學的制約。科學家後來發現，只有通過衛星直接分發，衰減會非常小，可以把密鑰發送到全世界各地。

我簡要解釋一下背後的道理。比如衛星飛過地面站G1，可以產生密鑰K1，飛到地面站G2，可以產生密鑰K2。如果我們希望地面站1和2有同樣一把鑰匙，應該怎麼做呢？假定把這兩把鑰匙從數學上做一個異或，相同的是1，不相同的是0。把這個異或的結果從衛星發到地面上，別人拿去是沒有用的，他們解不出這把鑰匙。地面站2有一個K2的鑰匙，做了一個反異或，一定可以得到K1。這樣就可以實現全球密鑰的分發，也就是“墨子號”的第一個任務，天地能不能行。

“墨子號”的第二個任務是所謂的糾纏分發。前面說過一個量子不去測量就不知道它的狀態，但是量子力學在推導的過程當中又發生了非常怪異的現象：某種特殊的狀態下，一對粒子中一個被測量以後，另外一個立馬退出狀態。這好像和前面講的量子力學的不可測量、不可克隆的理論不太一樣，這是量子力學理論中的兩光子極化糾纏態，背後的原理就很複雜了。

對於這個問題，愛因斯坦覺得不可思議，他說這是遙遠地點之間詭異的互動，不可能。愛因斯坦認爲，對於一個粒子的測量不可能對另外一個粒子產生影響，這一定是量子力學不完備，在某一個起點上出現了一些問題，他們這一派稱之爲相對論的定域性。另外一派是哥本哈根學派，他們認爲量子力學的理論是完備的，所謂的一個粒子測量會瞬間改變另外一個粒子的狀態，這種現象一定是存在的。兩大派的科學家爭了很多年，愛因斯坦當時還專門寫了一篇論文“量子力學是完備的嗎？”，登載的雜誌PhysicalReview，現在還在，很有名。

物理學上解決這一爭論的辦法是做實驗。1964年，有一個科學家推導出一個公式，叫Bell不等式。他說用經典的方法算，結果永遠≤2，但是用量子力學的方法算，最大可以到2。那麼能不能做一個實驗，如果實驗結果永遠≤2，就說明上述現象不存在，如果實驗結果做到2-2之間了，則很大概率說明這種現象存在。因爲技術的原因，這個實驗一直到1972年纔有人在實驗室裡做。

反對派對在實驗室裡進行實驗表示反對，原因是在實驗室裡這麼近的距離測量，測量的誤差可以讓信息以光的速度從一個傳到另外一個去了，影響測量結果。後來有了一個類空間隔，這兩個粒子測量的時間差不會超過光從這一點傳到那一點的時間。這樣一來，很多科學家提出，到底驗證多長的距離裡面這種現象是存在的？在地面當時最遠的距離，是潘建偉院士和我們一起做的，在青海做了100公里的實驗。而藉助衛星可以做到1000公里，所以“墨子號”的第二個任務就是通過衛星來看看1000公里量子糾纏這種現象還存不存在。

“墨子號”的第三個任務是地-星量子隱形傳態實驗。前面講過量子不可克隆，就是說這個信息是孤立的，不可能傳出去，一傳出去就會錯。物理學家認爲這不可能，微觀世界或者量子世界一定有它自己信息傳遞的方式。對於這個疑問，一直到上世紀90年代，奧地利的一位科學家，也是潘建偉院士的導師團隊，他們提出了一種所謂隱形傳態的概念，他們認爲如果這種糾纏是存在的，就可以藉助這種糾纏把信息傳出去。

我儘量用比較通俗的語言把這個原理解釋一下。比如我有一個東西X要傳到衛星上去，我先在這裡生產一個A和B的糾纏堆，X想辦法和A做一個物理學上的聯合波爾測量。前面講過量子一旦被測量，測量結果是在的。但現在A和B是糾纏的，所以和A的測量視同和B的測量。所以在測量發生時，量子態被瞬時的、非局域的、不可逆的傳送到糾纏粒子B上，而自身量子態隨機塌縮到四個Bell態之一，也就是說X和A都沒有了。這個時候將粒子X的測量結果通過經典信道傳遞廣播，接收端根據測量結果對粒子B進行相應幺正變換從而得到量子X的狀態，就是說把B變回到X去。他們說用這種方法可以把量子世界裡面的內容傳出去，這和拷貝有重大的區別，因爲用這種方法傳出去以後原來的這個東西就沒了。這也是物理學家上世紀非常偉大的發現，這個成果在Nature發表以後，位列和愛因斯坦相對論、居里夫人發現X射線等同樣重要的20幾個百年經典的理論之一。

我們在地面已經做成這樣的實驗，那麼能不能通過衛星把地面的量子信息發到衛星上去，現在是1千公里距離的實驗，以後可能還要做到1萬公里。這就是“墨子號”第三個任務，地-星量子的隱形傳態。

具體來說，就是組成一個天地大系統，我們在常規衛星上面增加了一個應用系統，做出來以後讓科學家去用。在中國做這個實驗很有利，因爲得到了國家的支持、中國科學院的支持。所以做這個實驗雖然有很大的風險，我們也要做，但是要儘可能節約國家的錢，因此我們採用的是600多公斤的小衛星做的。這在技術難度上比較大，但是我們克服了困難，在較低的成本下做了這個實驗。

我們設了五個地面系統，其中大部分的地面系統放在西部。因爲做這個事情最怕的是大氣干擾，所以儘量找干擾小一點的，西部的大氣比較好。

實驗過程中最困難的是從地面發信息到上面去，就是隱形傳態。打個比喻來說，就像一個毛玻璃，把毛玻璃放在字前面可能看出來，但是把毛玻璃放在眼睛前面就什麼都看不出來了。我們的一個地面系統在西藏的阿里，海拔將近5千公里，這種自然條件一般人是受不住的，當時我們一個老師帶着一隊研究生在上面工作了很長時間。

“墨子號”是在2016年8月16日發射的，2017年1月18日正式交付。現在這顆衛星還在繼續工作，雖然衛星的壽命是2年，但是做了3年的延壽，讓科學家可以做很多的實驗。

三

“墨子號”運行情況、實驗結果

和國際國內反響

那麼衛星發射上去以後運行情況怎麼樣？國際國內有什麼樣的反響？先給大家說一個插曲，我們這顆衛星的學名是“量子科學實驗衛星”，通俗的名字是“墨子號”。這背後有一個故事，當時我們中國科學院做了四顆科學實驗衛星，其中第一顆很神奇，是探索尋找暗物質。因爲在這個宇宙上，我們能看到的只有大約5%，還有95%是以暗物質、暗能量的形式存在的，這是宇宙大爆炸理論探索出來的。現在有另外一個非常熱的分支，就是引力波測量。如果引力波像電子波一樣應用了，我們就能夠找到暗物質和暗能量，這第一顆衛星就是探索有沒有暗物質。這顆衛星是比我們早一點發射的，當時全國進行徵名，最後起了一個名字叫“悟空號”，這個名字對它很貼切，“悟”在漢語裡有參悟、理解的意思，“空”是空間，探索暗物質就是參悟、理解空間，而且“悟空”這個名字家喻戶曉。

到我們這顆衛星就有一點小尷尬了，我們該取什麼名字？要不要也徵一個名，期間有人開玩笑說，不用徵名了，那顆老大（悟空）這顆老二（八戒），這當然不可能了。後來潘建偉院士說，我們不要爭了，我提議叫“墨子號”，墨子是中國四大聖人，他更偏於技術，墨家在古代都是能工巧匠。而且我們在《墨經》裡面找到一段話“景，光之人，煦若射。下者之人也高，高者之人也下。”這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》。所以墨子不僅僅是一個哲學家，還是一個科學家，也是我們做光學的祖宗，爲了紀念他我們起名爲“墨子號”。

“墨子號”的所有實驗我們不到6個月就做完了，第一篇論文是2017年6月發表在Science上面的，封面文章《1200公里的糾纏分發》。2018年的時候，潘建偉院士打電話給說我們得了一個大獎，就是Science的最佳論文獎。他看我沒有什麼反應，說Science一年只評1篇最佳論文，而且這個評審不是我們自己申報的，是全世界科學家評審的，叫克利夫蘭獎。從歷史上看，評上克利夫蘭獎的作者有很大比例最後都得了諾貝爾獎。這樣一說這個獎的含金量就比較高了。可以說“墨子號”第二個實驗糾纏分發得到了國際上非常好的承認和榮譽。

還有兩個實驗，密鑰分發和量子隱形傳態，相關的兩篇文章我們是在2017年8月份發表在Nature雜誌上的。Science、Nature是美國、英國，兩大巨頭科學類雜誌。原來Science不太願意發表潘建偉院士的研究，所以當時基本上都發表在Nature上。但是這一次Science一反常態，非常積極，一個月就給了我們論文的通知，而Nature審了很長的時間。後來我們知道，因爲Science審我們糾纏分發實驗的人本身也在做這個，他們發現你們做這個以後，正好利用這麼好的機會從頭到尾好好問，那時候必須把各種問題回答他，所以他們後來就發表了。Nature方面我們也有一個突破性的成果，一個團隊一次登兩篇文章，以前也是沒有的。

“墨子號”三大實驗任務我們到這個時候就非常完美地完成了，這裡我給大家簡單分享一些結果。這張圖片是我們在北京興隆站做的實驗，綠色的就是我們的衛星，紅色的是地面，這個是信道光，這是看熱鬧的，門道不在這裡，門道在光裡面，真正通信用的光子是看不到的。

這是新疆南山站建立的臺站，這個拍得好像是白天一樣，我們相機曝光的時間很長，所以滿天的星斗都看得很清楚。能夠看到衛星從這個方向出來移過去，移了很長時間。

這是我們在第三個站麗江站做的實驗，下面是一個鎮。這裡會發現一個現象，前兩張照片可以看到，儘管時間很短，但紅的非常明顯，而第三張紅光不太能夠看得出來，什麼原因造成的？其實是大氣的差別。看到紅光不是好事，因爲大氣污染比較嚴重的情況下，光打上去以後很多被大氣反射回來，纔會看到這個東西。如果大氣很乾淨的話，打上去的光是看不見的，這背後是物理學上的“後向反射”原理。三張照片的差別間接印證了麗江的大氣非常好。

這張照片拍攝於烏魯木齊南山，多張照片合成了衛星過境的全貌。

完成了三大實驗後，2017年9月份還專門通過“墨子號”量子科學實驗衛星進行了洲際的量子密鑰分發。當時中國科學院的白春禮院長和奧地利科學院院長安東·塞林格進行了世界首次洲際量子保密通信視頻通話，在世界上第一次實現了洲際的量子保密通信。

做這個實驗，如果光自己做，外部的人不會太信，會質疑中國的水平怎麼一下子這麼高了，所以我們開展了很多的國際合作。只要他們地面站能建好，我們的衛星就給他們通信，這也證明了我們是開放的。但這也是有前後順序的，等三個實驗都完成了、論文都發表了的時候，我們纔開放，再面向國際合作，因爲科學只有第一沒有第二。

“墨子號”量子科學實驗衛星完成實驗後，在國際上影響是比較大的，因爲量子技術在歐盟、美國都是被列爲國家科學發展、戰略發展的前沿。特別是美國還專門召開了聽證會討論如何保證美國在量子技術國際競爭中的領導地位，他們的結論是美國絕對無法承受在量子技術革命中失敗的代價。據說聽證會上有一個研究量子非常有名的科學家，這個時候直接指責國會，說幾年前就提醒過你們要在這方面投錢，因爲中國已經開始做了，但當時你們認爲中國肯定做不成，結果到了現在，中國的技術已經超越了我們。他後面有一句話非常有意思，他說，不要緊的，我們美國也曾經被蘇聯超越了，但是我們美國人只要認真了，我們一定是世界第一，我們會搶回來的，只要你投錢。

四

從“墨子號”的成功

看中國高技術如何從跟蹤到引領

下面我要分享的是爲什麼中國能夠完成這麼一個高技術的實驗，我從四個方面來講“墨子號”成功的基礎：

第一，中國航天技術和空間激光技術已經有長足的進步，航天器發射的數量居國際第二。就是說中國在做衛星、做激光這兩個領域已經有很好的基礎了。

我們回顧一下1957年的第一顆人造衛星，這對美國來說是一個恥辱，因爲被蘇聯搶在他們前面了。並不是說美國不努力在做，而是航天的風險確實很大，美國第一顆衛星發射的時候沒有成功，所以當時蘇聯人搶先發射了。美國在不久後的1958年1月份就發射成功了，我們中國那時候差距比較大，到1970年4月才成功發射第一顆衛星。

現在我們的技術上已經和國際上最先進的技術基本上並駕齊驅了，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，探月工程超遠距離的測控能力、球外形體衛星的控制能力，還有高分辨率對地觀測能力、衛星的長壽命能力等。

中國到現在爲止在航天上是世界老二，老大還是美國，我們可以說是航天大國，但絕對不是航天強國，因爲其中原創的東西，最新的概念還是美國強。而對於“墨子號”我們中國比較自豪，因爲從原理到最終都是我們自己做的。

我今天非常高興到深圳來，因爲深圳的創新思想是全國最領先的。在座的g朋友中，關注航天的人可能知道，現在最熱的就是馬斯克的星鏈計劃，他號稱要發幾萬顆衛星到天上去，而且最早提出要做火箭回收。大家最早笑話他，現在人家成功了，有人又說這個也不難，別人也可以做，但是誰先提出來、先做到還是完全不一樣的。再比如激光器是美國1960年製成的，雖然中國在1961年8月份也做出來了，但是第一和第二有本質的區別。

第二，多年的開放，爲科學家的原創提供了條件，爲“墨子號”注入了靈魂。“墨子號”如果沒有像潘建偉院士這樣的科學家從國外回來，沒有他的思想是難以成功的。

當時我們在青海湖和地面做了大量的實驗，驗證是可以上去的，同時當時也產生了很多科學產出。我們中國人本事挺大的，給一點錢可以用土辦法來驗證。最難的是當時在地面本來是在實驗室做的實驗，但現在要到衛星上去做。衛星是運動的，而且飛行速度這麼快怎麼辦？當時我們想在天上找一個動的東西，最早想到飛機，後來想不太可能。後來我們說能不能用熱氣球做，這是很土的辦法，但是成功了，我們做了一個全國最大的熱氣球在上面完成了實驗。我們最早還利用吊車做了各種各樣的實驗。所以說有時候技術的創新不一定要花很多的錢，要想辦法。

第三，多學科融合交叉、強強融合，是量子衛星在空間光電技術上的主要進步。因爲很多的科學實驗不是一個人能夠做成的，雖然說科學家最主要的是智商，智商低的人肯定做不了科學家，但是大工程做到後面情商比智商更重要。一個人很有智商，不能和別人合作，事情就做不成。

我開玩笑說“墨子號”可能是五分技術、五分管理。這裡面有很多的難題，比如這不是一家能夠完成的，要發射，要衛星平臺，要做糾纏源，要天地對接。舉例來說，衛星發射出去後，因爲是低空繞着地球轉的，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。這個時候最難的是能不能找到它，我們最怕的是衛星上去以後找不到了，那就什麼都沒有了。

這種事情不是沒有發生過，確實發生過，發生過兩件事情。第一件事情，美國在2000年發射全世界第一顆激光衛星，但是發射之後就找不到了。我們國家曾經也發生過在海洋上發射的衛星一開始找不到，後來通過天文臺站突然看到一個信號興奮得不得了，成功找到了。所以說找不到是最讓人擔心的，人不怕一萬就怕萬一，所以我們花的力氣很大，要抓得住，跟得牢，打得準。

關於抓得住，還有一個故事。潘建偉院士當時跟我們一起做的時候，他建議不要全部自己做，有些部分可以引進。我們知道從美國引進肯定不可能了，就找到了歐洲幾家公司，他們說了三句話給我印象非常深。第一句話，你們找我們肯定是對的，我們是這項技術全世界做得最強的，別的地方達不到你們要的這個質量。第二句話，你們有多少錢？賣最高技術給你們肯定很貴。如果他們就說這兩句，我和潘院士就答應了，只需要回來找錢，因爲國家給我們的預算是有限的。但他們又說了第三句，這個技術不可能賣給中國。聽了第三句我們就死心了，決定回來自己做。我們做完以後，這項技術指標在全世界是最好的。可以說不被逼到死衚衕上是做不出這個東西的。

其實觀測衛星的原理非常簡單。我們天文觀測的水平是非常高的，用1米多的望遠鏡，可以說你想看什麼都可以看到。衛星在天上飛，我們測控的精度是百米。所以時間的進度很重要，我們在一個地方等着，衛星一定會從頭頂上飛過。

所以只要我們在下面打一束光，讓這個光在天上有1公里範圍的大小，確保衛星一定會飛過這1公里範圍。衛星一飛過，我們就探測到了，天上馬上反打一個光過來，兩邊就連住了。連住了以後，我們再啓動一套非常高精度的跟蹤系統，我們的精度指標是0.7個角秒，最後可以做到0.02個角秒，這是技術最高之一。所以技術上要敢去做，敢去做才能夠做到。另外，我們這個光要發射得很窄，因爲光越小越好，我們這個光束也是全世界做得最窄的。

我們還有一個技術叫做天地鏈路偏振態保持，這麼高精度的東西受不得振動，所以在衛星上怎麼樣把它控制住？我們發現衛星上的環境儘管比我們下面汽車要好多了，但不讓它振是不可能的，唯一的辦法是根據它的振動把它進行矯正。我們現在跟蹤的技術非常高，全部做到了。

我們擁有的下一個技術叫做單光子接收的技術。天上的密鑰是一個個光子，就是一個黃綠顏色的燈或者是一個個波長。1瓦的燈泡每秒鐘發出來的光子是10的18次方，這個能量非常小，我們怎麼把它測試出來？講得通俗一點，就是假如說我坐在一個萬米高空的飛機上，向下面扔硬幣，這個硬幣要扔到下面一個儲蓄盒裡面，儲蓄盒的投幣口是細長的，而且我們做這個實驗不是扔一個，要同時扔兩個方向都準了，才能開始做這個。舉這個例子後大家也能感受到這個難度。

探測一個光子的靈敏度要達到什麼程度呢？我們地面站現在大概是1米的望遠鏡，這個望遠鏡可以看到的靈敏度相當於，如果月球上有人有空氣，上面有人劃一個火柴都能夠發現。

第四，中國的科研組織和管理模式，爲“墨子號”的成功發射提供了強有力的保障。我們國家的體制促成了我們的成功，整個實驗不是由一家單位就能做成的，做這個很強的最主要的單位都參與了，是一個國家系統工程，是一種高科技的比拼。當然對我們來做還是一種對科學的追求，因爲這個東西失敗的概率很大，做的時候很痛苦，也要有對未知探索的精神才能做成。

對中國式的科技創新，我總結了幾點：

第一，我們覺得原創的科學思想是靈魂。沒有原創的思想、沒有原始的創新就沒有這樣的成果。

第二，還是要感謝管理層的快速決策。一般如果管理層爲了讓自己沒有責任，不彙報就能讓這個事情做不成了。而對於科學領域，要想讓什麼事情做不成，就不斷地論證，科學家不斷提出質疑，來說明這個事情有風險。但當時我們中國科學院就決定了要做，有問題後面再說。

第三，兵團式的多團隊聯合。也就是我剛剛說的不是一個人做的，是一個團隊，這跟做企業也是一樣的。爲什麼很多科學家有很多的發明，但是做不大，因爲他老盯着自己的事情。專業的人做專業的事情，科學家做科學家的事情，工程師做工程的事情。

第四，科學團隊和工程團隊的交叉融合，1+1>2。這裡有一個故事來說明這個結論。載人航天器裡搭載了很多科學家的成果，過兩天就要發射了。這時有科學家提出說，領導，我昨天晚上想到了半夜，想出來比現在還要好的辦法，能不能幫我們改一改？工程師說，對不起，現在不能動了，如果動一個東西可能把全局搞壞了。這個故事說的就是科學家和工程師怎麼融合，把這個事情做成非常重要。

除了上面總結的四點之外，從長遠發展來說還有四方面需要注意：

第一，長期支持，有所爲有所不爲。這個事情我們做成了，其中有我們的能力，也不排除運氣比較好，這和量子一樣，也是有概率的。運氣不好都變成0了，現在都是1。所以希望有長期的支持，希望國家在後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。這一點是最難的。我們爭取做這些事情的過程中，全國有那麼多的科學家、那麼多的idea，最後國家就選了你。然後你做了三、五年以後，說對不起我什麼都沒有成功，再給我一次機會。理論上是可以的，實際上卻是不可能的。但我們整體還是要有一種寬容失敗的文化，來確保創新的能力。

第三，多元化評價體系。不同的人有不同的評價體系，實現人才互補。

第四，在破壞性創新中發展高技術，才能從跟蹤到引領。

下面介紹的內容是我們在量子通信如何往應用上推進。比如做一些低軌的密鑰的分發，然後在國家的支持下做一些高軌的高精尖的研發。最近我發現一個很有意思的事，我發現商業的航天非常熱門，很多的資本都往這個方向去。我本來覺得航天是一件風險非常大，收益不可期待的一件事情。但是現在企業家的眼光比我們更遠，覺得都可以投資，好多都已經投到這個上面去了。

在這裡面也有一些產業化的東西，比如以後天上有上萬顆衛星，生產衛星就跟生產小汽車一樣，可能達到一天產出幾顆衛星這種速度了。上萬顆衛星，我不要求每一刻衛星都不壞，壞就壞了，1萬顆衛星上面壞了10顆沒有問題。

現在做衛星還不行，開始做的時候老是盯你的進度，必須什麼時候發上去，符合“五年計劃”的安排等等。到最後一年一直跟我說，你要確保成功，這個國際影響力太大，萬一不成功不好交待。我覺得成功雖然是第一位的，但催趕進度是不科學的，我該做出來就做出來了，可靠性的問題是靠平時積累的，不是最後一年努力就可以把可靠性提高的。

以後還是要做成小型化的，衛星也是一樣。“墨子號”已經花了國家大概20億，這個花費在算是很低的，但是要作商業應用這個價格還是很高的，還要把它再往下降。

現在的衛星是白天、下雨天運行，或者是工作時間很短，我們要實現全天24小時量級，這樣才能真正讓大家用起來。這最快可能到2025年會有類似的衛星，小衛星這兩年就有了，大的、高軌的衛星可能要再過四、五年。

五

擁有了量子技術，

人類生活方式會有怎樣的改變？

下面和大家分享一下擁有了量子技術，人類生活方式會有怎樣的改變？前面提到了量子通信，以後還會有什麼樣的改變呢？

量子力學是物理學四大基礎理論之一。上個世紀20年代以後，量子力學已經滲透到各個領域和學科，比如半導體物理、量子化學，量子生物學，在很多地方都會起作用。這裡我舉幾個比較容易理解的例子。

第一個例子是基於原子干涉的量子陀螺儀。陀螺是很古老、很傳統的東西，小時候拿一個陀螺，鞭子一揮就轉，那是最簡單的。後來用的陀螺是機械的，以前我們做航空遙感的時候會用到，是液體的陀螺，用油的，必須加溫，提前2個小時要把它暖上，但是精度不是太高。現在大量用的是光纖陀螺，用激光干涉的方法做的陀螺，這個精度比機械陀螺高很多。假如船上有一個陀螺，就不需要GPS這些東西，但現在這些陀螺可能十天、半個月就要矯正一次，它會偏掉。而用量子方法干涉出來的陀螺，可能半年、一年不矯都不會有問題，能夠提高几個數量級。

第二個例子是量子定位系統。現在誰也離不開GPS了，甚至沒有導航系統都不會開車了，這些系統對於民用來說都沒問題。這裡又要說到大氣了，底層大氣不但對光探測有干擾，對導航也是有干擾的。導航的科學原理就是，另外三點位置確定時可以確定第四點，只要算出這個點和這三點的方位和距離，這是最古老、最精準的。但是到地面受大氣的影響，有一些應用再進一步提高精度就提高不上去了，這就是大氣的隨機干擾。如果用糾纏的方法提供一個量子的定位儀，就能把現在高精度的定位再提高上去。

第三量子雷達。量子雷達讓人不可隱形。原來是對抗、反對抗的，你要探測我，我要隱形起來。包括兩種，一種是可以產生干擾你的方法，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的光子打到你身上回來的，這樣一來檢測的效率能夠比傳統的高很多。

量子測量還有一個例子。比如我們物理學上有七大物理量，包括時間、長度、重量等。原來長度是怎麼做的呢？做一個標準的金屬尺告訴你這是1米，全世界就以它爲標準。但是物理學家、化學家發現，隨着環境條件的變化，金屬尺一定會氧化的，這個尺子會在很小的精度上發生變化。現在研究出來了，最不變的是最小的原子核內部有一些原子的電子波段是永遠不變的。當電子從高能級跳到低能級，下來以後能量出來了，這個能量以光的形式發出，這個光發出的頻率是永遠不變的。所以現在尺的長度，用某一個原子發出來的頻率多少倍來定義，不用實物了，全部用量子的方法來定義。

量子計算出來以後，首先有了一個摩爾定律。摩爾定律原來的說法是，每隔18個月半導體晶體管數目會增加1倍，價格會降低1倍。隨着半導體晶體管的尺寸接近納米級，電子的運動不再遵守經典物理學規律，半導體晶體管將不再可靠。一般認爲摩爾定律還能適用10年左右。

摩爾定律的光刻機越做越窄，密度越來越高，耗能受不了。如果在谷歌上我們做一次搜索，所消耗的能量相當於11瓦的節能燈亮15分鐘到1小時。所以他們的工程師計劃將數據中心造到海水中去，用海水散熱。

再看量子計算機，人類用十進制來計算，效率比較高。二進制0和1實際上是最笨的計算方法，所以機器能夠理解。而量子可以是0狀態，也可以是1狀態，同時可以存在不同的狀態，所以用量子的方法來計算，效率會高很多。因此理論上，只要有300個量子比特，其承載的數據就能是2的300次方，這將超過整個宇宙的原子數量總和。而300個傳統比特能夠承載的數據只有2的300倍。這個原理來說量子的計算能力不可想象，幾百個量子組成系統的計算能力，是現在全世界所有計算機計算能力的總和。

當然越好的東西越是難做，什麼時候能夠實現我不知道。曾經有科學家也開玩笑說，可能幾年就做出來了，也可能幾百年。但是確實全世界在量子計算領域都在發展，我們中國基本上和美國是並駕齊驅的。前一段時間構建出九章計算機，驗證了一種特殊的情況下，所謂的“量子稱霸”，或者是“量子霸權”，我們也叫“量子優越性”。實現了某種情況下以量子的方法計算，比傳統的計算方法要快好多倍。

企業家們肯定最關注量子產業，我做一些簡單的評論。

第一，量子通信是對目前傳統通信技術一種重要的補充，不是全面替代。但是就是這麼一個補充，市場的容量也是比較大的。所以歡迎企業家能夠投資我們量子通信的產業。

第二，量子產業的門檻是比較高的，新技術的含量極高。所以現在看到很多的是自上而下的，政府比較願意推動這個事，也是高端的科學家去做這個事。

第三，量子信息產業還是以IT技術爲基礎，同時結合了大量的光電子技術。IT技術和光電子技術的融合形成了量子芯片，這已經有很好的產業基礎了，大家可以去做一個調查。

此外，量子信息的核心技術原則上還沒有突破，不是說技術上已經很成熟了，學術上的爭論至今沒有結束。世界上有一派還在說糾纏是胡說八道，是唯心主義的。有一個朋友還特地打電話給我說，不要做這個東西，這個東西是假的，僞科學。

總體上看，技術創新的市場上有一大片的風險。但是商業就在風險中，風險雖大，一旦成功了收益也很大，這是辯證法。在網上查到的很多量子的產品，絕大部分是誇大的，或者是概念的偷換。

中國式的科技創新，原來是追求“相同”，就是人家做了什麼我也做什麼，現在要追求“不同”，我們不能跟着人家屁股後面走。要從“跟蹤”向“引領”跨越，我們在量子科技上應該要引領國際的潮流。我們也希望我們國家從“科學的春天”1978年能夠走向“創新的春天”。

最後，引用總書記在報告裡面講的話作爲結束語，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式創新。“天眼”探空、神舟飛天、墨子“傳信”、高鐵奔馳、北斗組網、超算“發威”……這些我們長期想幹卻沒有乾的大事，讓中國“趕上世界”的夢想實現了歷史性跨越。

（全文完，轉載請註明出處）

科技創新院士報告廳

科技創新院士報告廳是由深圳創新發展研究院、博研教育、深圳企聯等共同主辦的一個高端開放型科技講壇，在全球範圍內邀請科技創新領域做出傑出貢獻的院士分享前沿科技發展、形勢、創新知識，以促進科研與產業發展深度交流，增強深圳乃至全國的科技創新氛圍爲目的。

報告廳會址設在深圳創新發展研究院，位於深圳科技創新的最前沿——深港科技創新合作區。

第三期主題：信創產業的挑戰與機遇

演講嘉賓：倪光南（中國科學院院士、中國工程院計算技術研究所研究員）

特邀主持：張思平（原深圳市委常委、副市長）

時 間：2021年5月27日 9:30-11:45

地 點：深圳創新發展研究院·報告廳

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