我今天演講的題目是量子技術漫談。我們從100年前的一次很重要的會議講起。這個很重要的會議叫做第五屆索爾維會議，号稱是聚集了當時全世界三分之一最聰明的頭腦。與會者共有29人，大概有17名諾貝爾獎獲得者，其中還包括愛因斯坦、洛倫茲、居裡夫人、普朗克，這些如雷貫耳的名字。
這個會議上讨論的主題是什麼呢？是量子力學。
這次會議是我們整個百年來科技發展最大的支柱，毫不誇張地說它改變了整個世界。從改變這個世界的深度和遠度來講，它一點都不遜色于這之前的第一次世界大戰，更不會遜色于之後的第二次世界大戰，因為到現在它對這個的世界的改變仍未停歇。
我不想講量子力學有多偉大。量子力學幹了很多“活兒”，包括半導體、計算機、雷射網際網路、原子核、核能。但是從量子力學誕生的第一天起，它就與之前的理論有所不同。
比如，牛頓力學問世以後，牛頓就被聘為英國鑄币局的局長，從此名利雙收。當時全世界都認為牛頓力學證明了上帝的存在，是以那個時候牛頓力學在人類的整個思想界可算是一統江湖。
但是量子力學不一樣。量子力學對世界産生了如此深遠的影響，但是從它誕生的第一天起，其締造者之一，愛因斯坦就開始“反對”量子力學。他說量子力學至少不是全部正确的。
100年過去了，現在科學上講：雖然微觀世界描述的規律和宏觀世界有很多不一樣，但我們認為量子力學是對的。然而諾貝爾獎的獲得者溫伯格（Steven Weinberg）——以前我們都是看他的書學習實體的——在退休以後開始認為，也許就像相對論替代牛頓力學一樣，将有一個更新、更全的理論可以替代量子力學。
是以量子力學最大的特點就是，它一直被證明正确，但一直有人質疑它。
在我發了第一篇跟量子力學實驗有關的文章以後，就開始收到信，跟我要探讨量子力學的正确性。當時我很緊張，馬上就發給了潘建偉老師。潘老師把我臭罵一頓：這種信你給我幹嗎？難道你讓我跟他讨論一下量子力學嗎？
細數量子力學從誕生到現在，你會發現它跟我們上海男人的地位很相似。在這裡我要介紹兩個算是“嫁”到上海的男人。一個是我，現在是量子衛星的科學應用系統總工程師，還有一個是之前演講的陳宇翺教授。
我們做的工作也挺多的，在外面也被稱為“彭總”、“陳總”，我們研制的量子衛星成功上天，京滬幹線在地上連的也很好，在家裡表現得也不錯的：老婆一說要洗菜我馬上就倒水，老婆說要拖地我就打電話叫鐘點工（雖然我們自己不會拖）。但是我們在家裡地位還是跟低。我一直搞不清楚，為什麼我們倆科技宅男的宿命就跟量子力學一樣？有一天我去請教我太太：為什麼我在家裡的地位總是這麼地低？比陳宇翺還低（因為我家裡比陳宇翺多一個小孩，是以我在家裡的地位比他還低）？
我太太就跟我講：讓倒水你灑地上，讓洗菜你洗不幹淨，讓拖地你隻會叫鐘點工，萬一鐘點工不來這個地就拖不了。量子力學那些東西講起來是很炫，衛星看上去是很厲害，但是我不懂，我不知道你具體在幹什麼，是以我就隻能覺得，你這個連家務都幹不好的人都能把衛星幹好，那肯定是因為那些事情太容易了。
當時我就明白了一點——關鍵我得給我老婆講明白，我到底在幹什麼。
是以很高興今天有墨子沙龍這個平台，我的報告題目叫做量子技術漫談。大家很好奇，我到底在做什麼工作，我在實驗室到底做的是什麼東西？我想來和大家講一講這個。我們從哪裡開始呢？讓我們從光開始，因為上帝說要先有光——當然不是這樣，因為我們是在墨子沙龍，我們不讨論上帝。
光
光這個東西太普通了。小孩子一睜開眼睛就能看到光，就對光有反應；人在地球上接受到的資訊中，70%以上是由眼睛，也就是光傳進來的；整個地球能夠存在是由于太陽，太陽的能量是怎麼過來的？全部都是光傳送過來的。我們在這個世界上能夠看到最老的物體是什麼？不是這個地球，這個地球隻有40多億年，如果想去找40多億年的岩石，得打一個很深的洞才能看到。擡頭看天，雖然你的肉眼可能感覺不到，但是有100多億年以前的光子會進入到你眼睛裡。
光是最普通的，它随處可見，但是這種普通的東西又一定是最神奇的。為什麼這麼說呢？
幾百萬年前，那時人類還是山頂洞人，他們走出山洞可以看到和我們一樣的星空。那時候沒有污染、沒有霧霾，他們看到的星空可能更漂亮；古時候人們也會看這個星空，帝王看到後，召集臣子、嫔妃，大宴群臣；文人墨客呼朋喚友，如果是柳永的話，還要從青樓請兩位佳人，吟詩作對，舉杯邀明月，對影成三人。
我們科技宅男的先輩們在幹什麼呢？科技宅男一看到星空，就會思考星空中的光是哪來的？是什麼讓我們看到有星空？這個星空是什麼？這個世界到底有多大？這個世界怎麼來的？很自然的，人類仰望星空，就會思考這些問題。
圍繞這些問題産生了很多理論。最早的時候是地心說，牛頓力學問世以後地心說被推翻，人們開始認為宇宙是無限的，時間是永無止境的，星空也是無限的，這是後來的一個觀點。
但是實際上，光早就告訴你答案了。我們科技宅男也是反應慢，牛頓力學建立起來兩百多年以後才開始意識到一個問題：假如宇宙是無限的，地球存在的時間也無限長了，也就是說宇宙中星星的數量也是無限的，那我們就推出一個結論——你看不到黑暗的星空，你一走出門就已經被星星給曬死了。因為用所有的星光積分的話，會發現地球上星光的強度是無窮大的。
我們科技宅男看世界的眼光是什麼？擡頭一看天是黑的——這個世界是有限的，這就是結論。事實上現在的宇宙也告訴我們，這個宇宙體積上是有限的，時間上也是有起點的。
我們再講一個科學看世界的例子。
我們看到的光很容易産生，實際上任何一個物體都會發光，且不說點燃的蠟燭，哪怕是一個黑漆漆的鐵塊，把它加熱到一定溫度——很早很早以前人們都看到鐵匠打鐵的爐子——鐵塊就會發光。
是以光是怎麼來的呢？光是原子振動産生的。這裡面就會有一個問題，原子發光的特性是什麼呢？
按最早的了解，這個光始終是連續不斷地發出來的，我們從來沒有看到光斷掉。然而，量子力學出來之前人們做仿真計算，發現假如原子是連續發光的，就得出能量越低的原子發出的光能量越強。也就是說，如果有一個原子，剛一發光就發出所有頻率的光，這個光是無窮大的，整個世界一下子就清淨了。為什麼呢？全都變成光了，世界将隻有光和剩下來的殘渣。
但是我們沒看見世界是這樣子的呀。于是普朗克就提出了一個假設：原子發光是不連續的，它是量子的。如果不是量子的，這個世界就不存在了，我們就不會坐在這裡讨論這個問題——科學看世界就是這樣子的。
那麼怎麼才能看到真正的量子，或者說怎麼做出一個一個的光量子？如果想看到量子力學預言的光量子規律，要把一個光子弄出來，這個時候技術就開始出場了。
大家看到這裡有一個很小的柱子，這個柱子直徑大概是千分之一毫米，大概相當于一根頭發的1%。裡面囚禁着一個半導體裡的載流子，我們把它稱之為一個半導體的量子點。當我們用泵浦光打上去的時候，它的功能就相當于一個原子。
原子太小，我們真的去抓一個原子是抓不出來的，但是可以用這樣的體系模拟出一個原子發光的過程。這個體系隻發出一個光子，這就是單光子光源。
實驗室裡的單光子光源和我們平常用的手機晶片是一樣的，但是要把這個晶片降到很低的溫度，是以晶片的外面有一個用來降溫的大罐子。罐子裡面這個亮點叫做量子點，每次可以造出一個光子來做實驗。
前面潘老師講了量子糾纏。如何産生量子糾纏？假如這兒有個電梯，葫蘆娃裡的水娃和火娃一起進去，電梯門一關，上去了，他倆衣服一換，又出來了。你能分出誰是火娃、誰是水娃？
量子力學預言，這個時候不僅我們不知道誰是火娃、誰是水娃，如果你不去問的話，他們自己也不知道誰是誰，每個人既是水娃也是火娃。這是量子力學和經典力學不一樣的一點。直到你問他，你是火娃嗎？他說是，那另外一個一定是水娃。這種量子糾纏的這種現象不管分開多遠也是成立的。用量子糾纏，我們又可以做很多很多事。
資訊傳輸
那我們怎麼利用量子糾纏呢？圖檔中就是我們衛星裡面的一個量子糾纏源。看起來很簡單，一堆鐵疙瘩再加一個電子闆，很像電腦機箱。但是它有一個雷射幹涉儀，就像我們剛才說的電梯，可以把兩個單光子“幹涉”出來。這個糾纏源可以以每秒大概100萬個的速率，不停地産生一對一對的火娃跟水娃。
當然純粹的單光子源用來做量子密鑰太難了，我們在理論上和在實驗上又提出了新的方案：誘騙态光子源。這個機器裡就合成了一個誘騙态光子源，可以用來做量子密鑰分發。
現在做出量子糾纏了，我們能夠用它幹什麼呢？
量子力學經常受到質疑，比如量子通信不是通信，量子通信不像我們說的那麼安全。當然這個時候我很難回答它安全不安全，為什麼呢？那些想要證明量子通信不安全的人，最簡單的方法就是發一篇理論文章，再用實驗驗證，做完以後就可以拿諾貝爾獎，也不必在媒體上質疑了。
至于量子通信是不是通信，這個取決于到底傳輸的是什麼。前面陳宇翺已經介紹了量子密鑰分發，我們的衛星裡面還做了量子隐形傳送。怎麼用量子隐形傳送來傳輸資訊呢？就用量子糾纏，兩個火娃、水娃之間的關聯特性。傳輸這個資訊的時候，就已經不用資訊的載體，而是用糾纏把這個資訊直接傳送過去。
單光子探測
我們講的光源看起來很簡單。一個量子點再加一台像電腦一樣的東西，就是糾纏源，然後把它放到天上去。但是這樣單個的光子怎麼用來探測呢？
光的探測有很多種方式，眼睛就是最标準的對光的一個探測，而且眼睛的進化很厲害。在單光子探測器出現之前，眼睛是這個世界上最敏感的光探測器。曾經有實體學家試過，大概十個到百個左右的光子就已經足夠讓眼睛有反應。但是一個光子眼睛還是探測不到的。因為單光子能量很弱很弱，雖然單子光打到眼睛裡面的時候，實際上它也産生了信号，但是這個信号太微弱，淹沒在眼睛或者儀器裡面的噪聲裡了。怎麼辦？
我們用超導納米線做了一個特殊的眼睛，把它降到很低、很低的溫度，低溫度意味着什麼？意味着原子已經完全靜止，一點的擾動就可以擾動到它。這時一個光子打進來，在納米線上轉變成的熱量就足以讓它退出超導的狀态，我們就可以探測到這個光子。此外還有新的技術，比如半導體雪崩效應，也可以做這種單光子探測器。我們把單光子探測器搬到天上，就能夠在天上探測到地面發出的量子光了。
量子光的發射和接收實作後，就可以做很多事情，包括我們量子星裡邊的幾個基本的任務。
比如說量子密鑰的分發。我們可以從外太空，直接在衛星和地面之間建立密碼通道。衛星可以全世界到處跑，假如不追求覆寫效率，一顆衛星也可以覆寫全球，可以向全球任意一個大使館實作量子密鑰分發。我們還把糾纏源放到天上，可以把“火娃”、“水娃”真的從衛星上面送到千公裡外的兩個接收端來檢測火娃、水娃的量子力學的非局域性。我們還可以用量子隐形傳态來做量子糾纏的傳送。
這就是我們量子衛星整個的形狀，兩個紅布都是光學天線。我沒做量子衛星之前也覺得衛星很神秘，後來發現衛星的每一根線都是人手工制作、搭建的。從自動化程度來說，還不如富士康的iPhone手機生産工廠，但是從品質、從科技含量來說，衛星比富士康還是進階一些的。
量子衛星實驗儀器的體積大概一個立方米，可以把我們的實驗儀器全部都裝進去。
光有衛星在天上還不行，還要有地面接收衛星的量子信号。實際上這個也很簡單，我們跟天文台合作。
這是北京邊上的興隆、烏魯木齊邊上的南山，這是青海的德令哈，這個是雲南的麗江，這裡是西藏的阿裡，海拔很高，歡迎大家過去。
在這樣幾個地面站中，我們用光學望遠鏡把光收下來，然後用前面說的單光子探測的系統進行探測。
這就是我們實驗的照片。這個綠色是從天上發下來的信标光，紅色是地面發射的信标光。這個信标光本身并不傳輸這個量子資訊，量子信号會沿着這兩個光标記的信道發下來。
這個必須要講一下做為科研人的感受。因為量子衛星光的亮度設計的餘量比較高，打下來的時候強度比較大，你會發現它比金星還要亮，顔色是綠色的。大家可以試着去找一下。“墨子号”量子衛星于8月16日發射上天，發射大概一周後我去了北京興隆。夏天在興隆可以清晰地看見天空背景中的銀河。當肉眼看到一個比金星還亮的亮點，非常安靜地從天空一路劃過天際的時候，我一直在想，這個是我做的。這感覺太爽了。
是以做科技宅男雖然有的時候反射弧比較長，動手也慢一點，可能老婆叫倒個水5分鐘還不知道水在哪裡。但是經過十年的努力，量子衛星成功的時候帶來的感覺，也确實不能簡單地用一個“爽”字來形容。
這就是我們量子星工作的時候，飛過興隆，飛過南山，飛過德令哈。它會建立起密鑰，建立起糾纏，隐形傳态實驗，它某種程度上是通過衛星和地面一起建構一個真正的天地一體化的實驗系統。這個實驗室是非常巨大的，覆寫了幾千千米大的範圍，我們就在這個範圍裡做量子力學的實驗，它也開辟了未來空間量子科學實驗的一個方向。
最後再簡單地介紹一下其他小組的一些工作。我們前面講的量子衛星，本質上就是把一個光量子從天上扔下來，地上能收到、能看到就行了，再有就是把一個光子從地面扔上去，在天上能測到。這是我們在很廣闊的空間尺度上建構的量子實驗體系，我們實驗室還有很小尺度的工作，它能做什麼？
大家看這個照片。這上面的一個格子是1微米或者是500納米，每個格子裡的亮點是一個原子。我們前面說，正是因為單個原子太小了，我們沒辦法用單個的原子來産生單光子源，是以我們用一個半導體的柱子來産生單光子源。但是我們科技宅男是不言放棄的，單個的原子我們也要試一試。這種技術就能夠抓住單個原子，然後把單個原子一個個地排列起來，一個個地進行操縱。
這是我們用單個的原子排出的量子力學一個著名的符号。我們做這些是為了什麼呢？我們想要在更多的尺度、更大的程度上進行操控。人類在自然界繁衍出來，一直想幹的事情就是超越自然界。毛主席說了人要勝天嘛，這個就是我們從技術層面，從量子層面要做的事情。
未來已來
其實人類不了解量子力學或者批評量子力學，是因為我們離量子力學不夠近。當我們遠遠地看量子力學的時候，就像從高樓裡看低處廣場上的人。廣場上有很多人，每個人都在說話，每個人說話的内容都是有意義的，每個人唱歌的聲音也是很好聽的。但離遠了以後隻會聽到一片的噪音，隻會看到一些茫然的人群。
而我們研究量子力學，就是讓人群——粒子的群——用同一個聲音發音，這種就叫宏觀的量子态。
比如雷射，半導體，以及核能的一些技術，就是把所有的量子都調制到一個态上面，變成“合唱團”，這個時候量子的聲音和量子的規律才能夠被看到。
最近這幾年我們在做什麼呢？經常聽到一個詞，叫量子調控。量子調控就是讓每一個粒子演奏不同的曲目，讓每個粒子按不同的規律去演化，這就是一個交響樂團。它能夠比“合唱團”做更多的事情：在更遠的距離上去調控量子，在更多的粒子層面上去調控量子。我想這個就是量子技術一直在發展、一直在做的事情。
科技改變生活，量子創造未來，謝謝大家！
原文釋出時間為：2017-03-17
本文作者：彭承志
本文來源：
量子趣談，如需轉載請聯系原作者。