院士Talk·王建宇｜一個(gè)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(hào)”命名的全球首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星成功發(fā)射，吸引世界科技界矚目。
日前，中國科學(xué)院院士、“墨子號(hào)”工程常務(wù)副總設(shè)計(jì)師、衛(wèi)星總指揮王建宇與我們分享了“墨子號(hào)”完成的科學(xué)任務(wù)、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(jì)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(shí)，光學(xué)是一門非常古老的科學(xué)，人們很早就開始研究它。牛頓說，光是一個(gè)粒子，而另一個(gè)科學(xué)家惠更斯說，光是一種波，他們兩個(gè)人吵了將近200年，誰都說服不了誰。
直到上個(gè)世紀(jì)初，愛因斯坦說：你們?yōu)槭裁匆鞘沁@個(gè)，不是那個(gè)，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(gè)理論提出來以后，對(duì)于光的研究來說，是開辟了一個(gè)全新的世界，也為后來量子力學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
光是什么？
在現(xiàn)實(shí)世界中，大家都非常熟悉二進(jìn)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(gè)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(jì)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?？墒强茖W(xué)家又加一句說，一旦被測量以后，這個(gè)東西就不是原來的東西了，它塌縮成為一個(gè)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(xué)的科學(xué)家玻爾也說過：誰不為量子力學(xué)感到迷惑，誰就沒有真正了解量子力學(xué)。
那么，量子力學(xué)里面有什么呢？
一個(gè)是波粒二象性，它既是波又是粒子；
還有一個(gè)量子力學(xué)測不準(zhǔn)原理。比如你去測一個(gè)粒子，一旦你測到它非常準(zhǔn)確的位置，它的速度就完全測不準(zhǔn)，這兩個(gè)的誤差乘起來是個(gè)常數(shù)。
量子與量子疊加
現(xiàn)在的科學(xué)家，不單單要了解量子力學(xué)的兩個(gè)特性，還要利用它去做很多事情。
空間量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)
第一件利用光做的事情，就是量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”。墨子號(hào)是2016年8月16號(hào)發(fā)射的，也是全世界第一個(gè)在太空當(dāng)中進(jìn)行的量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)。
墨子號(hào)要在太空中產(chǎn)生一個(gè)在傳輸過程當(dāng)中不可破譯的密碼。因?yàn)楣獾墓庾邮且活w一顆的，所以這個(gè)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(shí)，根據(jù)量子力學(xué)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(huì)有一定的比例和原來是不一樣的。
所以有了這兩個(gè)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(hào)”的第一個(gè)任務(wù)：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(jié)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(gè)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(xué)家推出了一個(gè)很“怪”的理論：在一種特定的情況下，A粒子和B粒子相當(dāng)于雙胞胎，測量其中一個(gè)以后，另一個(gè)的狀態(tài)就一定能確定了。
這個(gè)理論，好像和前面量子力學(xué)的測不準(zhǔn)原理是相悖的。
實(shí)際上，連愛因斯坦等發(fā)明量子力學(xué)的那些人也懷疑，是不是量子力學(xué)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(shí)驗(yàn)
所謂的相對(duì)論的定域性認(rèn)為，對(duì)一個(gè)粒子測量不會(huì)另外影響另外一個(gè)粒子；而量子力學(xué)的非定域性則認(rèn)為，對(duì)一個(gè)粒子測量，有可能會(huì)瞬間改變另外一個(gè)粒子。
上個(gè)世紀(jì)，愛因斯坦和玻爾兩位物理學(xué)家，也為這個(gè)問題爭論了很長時(shí)間。物理學(xué)家比較喜歡吵架，但這種吵架對(duì)科學(xué)發(fā)展是有好處的。
愛因斯坦與玻爾
后面有人證實(shí)了，這種現(xiàn)象在地面近距離是存在的。但是物理學(xué)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(hào)”做了一個(gè)測試，當(dāng)年做完以后對(duì)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(gè)衛(wèi)星上去，如果證明出來是不對(duì)的，怎么辦？
當(dāng)時(shí)我也問過潘建偉院士這個(gè)問題，他就反問我：“你有沒有信心說，你這個(gè)設(shè)備一定是沒錯(cuò)的。如果是沒錯(cuò)的，比證明是對(duì)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(xué)很怪，拷貝以后就會(huì)錯(cuò)，但是如果一個(gè)世界不能拷貝，它這個(gè)世界和其他地方是割裂的，這個(gè)世界是沒用的。
所以科學(xué)家認(rèn)為量子世界里面，一定有它自己傳輸信息的方法。在上世紀(jì)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(gè)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(gè)信息？這就是我們要做的第三個(gè)實(shí)驗(yàn)。
我們先用一堆糾纏堆，和另外一個(gè)粒子作用，因?yàn)锳和B的糾纏，再和X一作用，它的信息自動(dòng)就到B上面去了，然后把B送到另外一個(gè)地方，通過另外一個(gè)反變換，我就可以把這個(gè)X原封不動(dòng)地復(fù)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(gè)實(shí)驗(yàn)。
地-星量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)
這個(gè)實(shí)驗(yàn)做完之后，也在國際上產(chǎn)生了比較大的影響，因?yàn)榱孔涌茖W(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星是中國提的想法，中國第一個(gè)做的。
歐盟的戰(zhàn)略布局
這個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)國際量子信息的發(fā)展產(chǎn)生了很大推動(dòng)作用。美國在2017年10月專門開了一個(gè)聽證會(huì)，特朗普說：美國是不能容忍在量子競爭當(dāng)中落后于人的。我們的努力不僅給中國科學(xué)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(xué)家?guī)砹烁Ｒ簟?/span>
取得這個(gè)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(xué)家也在做很多新的實(shí)驗(yàn)，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(xué)變成生產(chǎn)力。我們正在策劃要去做一個(gè)小衛(wèi)星的星網(wǎng)，讓量子密鑰在我們國家安全領(lǐng)域真正用起來。
第二件事：我們還要不斷攀高峰。
“墨子號(hào)”目前有兩個(gè)曲線，一個(gè)是在低軌軌道運(yùn)行的，因?yàn)榈蛙壾壍朗抢@著地球轉(zhuǎn)的，每天經(jīng)過的時(shí)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(jí)。
第二個(gè)，我們現(xiàn)在只能在晚上做實(shí)驗(yàn)，還不能在白天做，因?yàn)槲覀円綔y里面一個(gè)一個(gè)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(zhǔn)備建一個(gè)全天候高軌工作的量子衛(wèi)星，我們想用一個(gè)個(gè)光子，創(chuàng)造一個(gè)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(xué)家預(yù)言世界上有四種力，一個(gè)最常規(guī)的就是電磁波，還有強(qiáng)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(gè)又要提到愛因斯坦，他確實(shí)是太偉大了，不僅作出了很多發(fā)現(xiàn)，還預(yù)言了引力波。
直到2016年美國做的一個(gè)LIGO系統(tǒng)，它看到了某個(gè)地方，星星合并以后傳過來的引力波。
從預(yù)言到發(fā)現(xiàn)引力波
引力波有什么用呢？
有一種科學(xué)說法認(rèn)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(xué)家預(yù)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(huì)是非常非常大的。
人類對(duì)量子宇宙物理的認(rèn)知
引力波和和光學(xué)有什么關(guān)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(duì)論的預(yù)言，引力波會(huì)壓縮空間，也就是說它明明是這么長的時(shí)間，引力波一來可能就被壓扁了，也可能會(huì)拉長一點(diǎn)；這里的壓扁和拉長，實(shí)際發(fā)生時(shí)是非常非常微小的，它是皮米量級(jí)，就是負(fù)十二次方量級(jí)，所以我們要希望在一個(gè)地方能夠測出這個(gè)東西，才能看到引力波。
引力波探測原理
可能有人會(huì)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?yàn)橐Σê碗姶挪ㄒ粯樱胁煌念l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(xué)院在過去一年里面研制了“太極一號(hào)”，為引力波測量做準(zhǔn)備。
“太極一號(hào)”已取得的主要結(jié)果
人類要真正測到引力波，還有很遠(yuǎn)的路要走。
現(xiàn)在我們的激光干涉儀，能夠測到百皮米量級(jí)的精度，它能測到一個(gè)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(gè)皮米到十幾個(gè)皮米的量級(jí)。
在太空中，所謂的距離肯定要一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，我們會(huì)放兩個(gè)重力塊在那里，觀察重力塊的變化。但如果外面稍微有點(diǎn)力，根據(jù)牛頓力學(xué)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(dāng)于一只螞蟻推了一下“太極一號(hào)”衛(wèi)星產(chǎn)生的加速度。
我們現(xiàn)在測到了十的負(fù)九次方，真正要測引力波大概還差六個(gè)數(shù)量級(jí)。
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(duì)物體表面產(chǎn)生的壓力）它的位置可能就變了，所以當(dāng)我們探測到這個(gè)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(diǎn)幾個(gè)微牛的推力，來調(diào)整我們上面兩個(gè)質(zhì)量塊。
今后我們要做到的，是要做到10的負(fù)15次方加速度的測量。
今后我們還要建一個(gè)繞太陽轉(zhuǎn)的等邊三角形，這個(gè)等邊三角形的邊長是250萬到300萬公里。也就是說在這個(gè)距離下面，我們要知道它變化幾個(gè)皮米，只有這樣才能真正測到引力波。
空間太極計(jì)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(gè)計(jì)劃的進(jìn)度和歐洲齊駕并驅(qū)了。一開始是歐洲先提出的這個(gè)計(jì)劃，但經(jīng)過這兩年努力，我們基本已經(jīng)追平。
空間太極計(jì)劃路線圖
在2020年到2025年，我們希望能夠做一個(gè)“太極二號(hào)”來驗(yàn)證我們已經(jīng)有了完全達(dá)到指標(biāo)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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