院士Talk·王建宇｜一個繞太陽轉(zhuǎn)的等邊三角形，為監(jiān)測引力波帶來什么改變？
2016年8月16日，以“墨子號”命名的全球首顆量子科學實驗衛(wèi)星成功發(fā)射，吸引世界科技界矚目。
日前，中國科學院院士、“墨子號”工程常務副總設計師、衛(wèi)星總指揮王建宇與我們分享了“墨子號”完成的科學任務、它背后的“黑科技”，我們要如何探測引力波，以及中國未來十多年的空間太極計劃路線圖。
我們每天都在和光打交道，但是，光在太空中能做些什么呢？
其實，光學是一門非常古老的科學，人們很早就開始研究它。牛頓說，光是一個粒子，而另一個科學家惠更斯說，光是一種波，他們兩個人吵了將近200年，誰都說服不了誰。
直到上個世紀初，愛因斯坦說：你們?yōu)槭裁匆鞘沁@個，不是那個，為什么兩者是排斥的，為什么不能融合。
所以，愛因斯坦提出了光的波粒二象性：光既可以是粒子，又可以是波。這個理論提出來以后，對于光的研究來說，是開辟了一個全新的世界，也為后來量子力學的發(fā)展奠定了基礎。
光是什么？
在現(xiàn)實世界中，大家都非常熟悉二進制算法，0就是0，1就是1，但是在量子的世界里不是這樣。在量子的世界里，一個事情既可以是0，又可以是1，可它到底是0還是1，是按概率來計算的。
在量子世界里，量子粒子在那里，你不去測量它，你就不知道，去測量它，才能知道是0還是1。可是科學家又加一句說，一旦被測量以后，這個東西就不是原來的東西了，它塌縮成為一個經(jīng)典態(tài)。我們聽著感覺非常神秘，這不奇怪；創(chuàng)造量子力學的科學家玻爾也說過：誰不為量子力學感到迷惑，誰就沒有真正了解量子力學。
那么，量子力學里面有什么呢？
一個是波粒二象性，它既是波又是粒子；
還有一個量子力學測不準原理。比如你去測一個粒子，一旦你測到它非常準確的位置，它的速度就完全測不準，這兩個的誤差乘起來是個常數(shù)。
量子與量子疊加
現(xiàn)在的科學家，不單單要了解量子力學的兩個特性，還要利用它去做很多事情。
空間量子科學實驗
第一件利用光做的事情，就是量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”。墨子號是2016年8月16號發(fā)射的，也是全世界第一個在太空當中進行的量子科學實驗。
墨子號要在太空中產(chǎn)生一個在傳輸過程當中不可破譯的密碼。因為光的光子是一顆一顆的，所以這個密碼發(fā)下來以后，接收的人拿到了，竊聽的人一定拿不到，所以它是安全的。
但是，如果竊聽的人把光子全部拿過來，拷貝以后再轉(zhuǎn)發(fā)，同樣可以完成竊聽嗎？
其實，根據(jù)量子力學的原理，量子一旦被測量以后，它就不是原來的狀態(tài)了。通俗地說，被測量拷貝的量子一定會有一定的比例和原來是不一樣的。
所以有了這兩個原理，我們就可以保證，用量子方法分發(fā)的密鑰在傳輸過程中一定是安全的。
量子密鑰分發(fā)安全性
這是“墨子號”的第一個任務：從天上向地面發(fā)量子密鑰。我們順利完成了星地的量子密鑰的分發(fā)，最后的結果發(fā)表在《自然》2017年8月刊上。
星地量子秘鑰分發(fā)
第二個事情可能更神秘了。前面說過，不測量A粒子和B粒子，你是不知道它們的存在的。但又有科學家推出了一個很“怪”的理論：在一種特定的情況下，A粒子和B粒子相當于雙胞胎，測量其中一個以后，另一個的狀態(tài)就一定能確定了。
這個理論，好像和前面量子力學的測不準原理是相悖的。
實際上，連愛因斯坦等發(fā)明量子力學的那些人也懷疑，是不是量子力學理論有毛病。所以，大家一直就去尋找答案，這種現(xiàn)象到底存在不存在。
星地雙向糾纏分發(fā)的實驗
所謂的相對論的定域性認為，對一個粒子測量不會另外影響另外一個粒子；而量子力學的非定域性則認為，對一個粒子測量，有可能會瞬間改變另外一個粒子。
上個世紀，愛因斯坦和玻爾兩位物理學家，也為這個問題爭論了很長時間。物理學家比較喜歡吵架，但這種吵架對科學發(fā)展是有好處的。
愛因斯坦與玻爾
后面有人證實了，這種現(xiàn)象在地面近距離是存在的。但是物理學講究的是，測量了10公里存在，不等于11公里存在，所以這種現(xiàn)象在宇宙里面，到底存在不存在？
我們通過“墨子號”做了一個測試，當年做完以后對國際上影響非常大，1200公里的糾纏，我們證明是存在的。
有人說，你們這個衛(wèi)星上去，如果證明出來是不對的，怎么辦？
當時我也問過潘建偉院士這個問題，他就反問我：“你有沒有信心說，你這個設備一定是沒錯的。如果是沒錯的，比證明是對的還偉大，就是我們從理論上又有一種可能，糾纏現(xiàn)象超過多少距離是不存在的?！?/span>
但現(xiàn)在做出來恰恰證明它還是存在的。
1200公里糾纏分發(fā)
剛才我們說量子力學很怪，拷貝以后就會錯，但是如果一個世界不能拷貝，它這個世界和其他地方是割裂的，這個世界是沒用的。
所以科學家認為量子世界里面，一定有它自己傳輸信息的方法。在上世紀末，就有人提出：如果這種糾纏現(xiàn)象存在，那么就可以借用這個糾纏來傳遞量子信息，這就是所謂的量子隱形傳態(tài)。
在宇宙中，這樣的隱形傳態(tài)現(xiàn)象能不能存在？能不能通過糾纏來傳遞這個信息？這就是我們要做的第三個實驗。
我們先用一堆糾纏堆，和另外一個粒子作用，因為A和B的糾纏，再和X一作用，它的信息自動就到B上面去了，然后把B送到另外一個地方，通過另外一個反變換，我就可以把這個X原封不動地復制出來。
但是要知道，原來的X，在量子的世界里面經(jīng)過作用以后，它就沒有了，但是它的信息卻都傳出去了，這就是我們做的第三個實驗。
地-星量子隱形傳態(tài)實驗
這個實驗做完之后，也在國際上產(chǎn)生了比較大的影響，因為量子科學實驗衛(wèi)星是中國提的想法，中國第一個做的。
歐盟的戰(zhàn)略布局
這個實驗對國際量子信息的發(fā)展產(chǎn)生了很大推動作用。美國在2017年10月專門開了一個聽證會，特朗普說：美國是不能容忍在量子競爭當中落后于人的。我們的努力不僅給中國科學家?guī)砹烁Ｒ?，國家給予了大量支持，也給世界其他國家的科學家?guī)砹烁Ｒ簟?/span>
取得這個成果到現(xiàn)在已經(jīng)三年了。量子衛(wèi)星還在天上工作，科學家也在做很多新的實驗，那么我們下一步要干什么？我們要做兩件事。
第一件事：把科學變成生產(chǎn)力。我們正在策劃要去做一個小衛(wèi)星的星網(wǎng)，讓量子密鑰在我們國家安全領域真正用起來。
第二件事：我們還要不斷攀高峰。
“墨子號”目前有兩個曲線，一個是在低軌軌道運行的，因為低軌軌道是繞著地球轉(zhuǎn)的，每天經(jīng)過的時間非常有限，作為通訊衛(wèi)星是有限制的，所以我們要把軌道提高到萬公里量級。
第二個，我們現(xiàn)在只能在晚上做實驗，還不能在白天做，因為我們要探測里面一個一個非常小的光子，非常怕有干擾，我們要解決干擾的問題。
我們準備建一個全天候高軌工作的量子衛(wèi)星，我們想用一個個光子，創(chuàng)造一個為人類所用的量子世界。
空間量子通信的發(fā)展趨勢
引力波探測
物理學家預言世界上有四種力，一個最常規(guī)的就是電磁波，還有強核力、弱核力，這三種我們都直接觀測到了，只有引力波一直沒有觀測到。一說到這個又要提到愛因斯坦，他確實是太偉大了，不僅作出了很多發(fā)現(xiàn)，還預言了引力波。
直到2016年美國做的一個LIGO系統(tǒng)，它看到了某個地方，星星合并以后傳過來的引力波。
從預言到發(fā)現(xiàn)引力波
引力波有什么用呢？
有一種科學說法認為，宇宙大爆炸以后，70%的能量是暗能量，你現(xiàn)在都沒看到，在另外30%的物質(zhì)里面，你看到的只占15%，而85%叫暗物質(zhì)。暗物質(zhì)暗能量，一直是困擾人類的東西。
曾經(jīng)有科學家預言，如果我們看引力波，能夠像看電磁力一樣的話，這些東西可能都可以看到了。它將產(chǎn)生的影響也會是非常非常大的。
人類對量子宇宙物理的認知
引力波和和光學有什么關系呢？
引力波的測量原理是什么呢？
根據(jù)愛因斯坦廣義相對論的預言，引力波會壓縮空間，也就是說它明明是這么長的時間，引力波一來可能就被壓扁了，也可能會拉長一點；這里的壓扁和拉長，實際發(fā)生時是非常非常微小的，它是皮米量級，就是負十二次方量級，所以我們要希望在一個地方能夠測出這個東西，才能看到引力波。
引力波探測原理
可能有人會有疑問，地面已經(jīng)測到引力波了，你們?yōu)槭裁催€要到天上去測？
因為引力波和電磁波一樣，有不同的頻段，而地面距離比較短，我們看到的只是引力波里面非常少的一部分，更多的必須要在非常大的距離來看，所以科學院在過去一年里面研制了“太極一號”，為引力波測量做準備。
“太極一號”已取得的主要結果
人類要真正測到引力波，還有很遠的路要走。
現(xiàn)在我們的激光干涉儀，能夠測到百皮米量級的精度，它能測到一個原子大小的距離變化。
但是，真正測量到引力波要精確到幾個皮米到十幾個皮米的量級。
在太空中，所謂的距離肯定要一個標準，我們會放兩個重力塊在那里，觀察重力塊的變化。但如果外面稍微有點力，根據(jù)牛頓力學定理它就要變；要不讓它變，就要把它的加速度測出來；我們現(xiàn)在能夠測到的加速度，相當于一只螞蟻推了一下“太極一號”衛(wèi)星產(chǎn)生的加速度。
我們現(xiàn)在測到了十的負九次方，真正要測引力波大概還差六個數(shù)量級。
另外，重力塊在太空中飛行，太陽一照（也就是“光壓”，指光照射到物體上對物體表面產(chǎn)生的壓力）它的位置可能就變了，所以當我們探測到這個變化，就要把它調(diào)整回去，這就是所謂的微推力。
微推力要精確到什么程度呢？就是一顆芝麻的萬分之一的重量。我們能做到零點幾個微牛的推力，來調(diào)整我們上面兩個質(zhì)量塊。
今后我們要做到的，是要做到10的負15次方加速度的測量。
今后我們還要建一個繞太陽轉(zhuǎn)的等邊三角形，這個等邊三角形的邊長是250萬到300萬公里。也就是說在這個距離下面，我們要知道它變化幾個皮米，只有這樣才能真正測到引力波。
空間太極計劃-引力波探測星組
在太陽軌道上可以避開地球重力梯度噪聲的影響，然后探測器溫度變化要控制在百萬分之一的要求。這些測量都是非常極限的程度。
現(xiàn)在，我們這個計劃的進度和歐洲齊駕并驅(qū)了。一開始是歐洲先提出的這個計劃，但經(jīng)過這兩年努力，我們基本已經(jīng)追平。
空間太極計劃路線圖
在2020年到2025年，我們希望能夠做一個“太極二號”來驗證我們已經(jīng)有了完全達到指標的測量能力。
到2025年到2033年，我們希望能夠真正做出到天上去測量引力波的衛(wèi)星。
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