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2020-02-18 15:57
一个绕太阳转的等边三角形,为监测引力波带来什么改变?

作者:王建宇(中国科学院院士、中国科学院上海技术物理研究所 研究员、博士生导师、中国科学院空间主动光电技术重点实验室主任)


2016年8月16日,以“墨子号”命名的全球首颗量子科学实验卫星成功发射,吸引世界科技界瞩目。


日前,中国科学院院士、“墨子号”工程常务副总设计师、卫星总指挥王建宇与我们分享了“墨子号”完成的科学任务、它背后的“黑科技”,我们要如何探测引力波,以及中国未来十多年的空间太极计划路线图。


我们每天都在和光打交道,但是,光在太空中能做些什么呢?


其实,光学是一门非常古老的科学,人们很早就开始研究它。牛顿说,光是一个粒子,而另一个科学家惠更斯说,光是一种波,他们两个人吵了将近200年,谁都说服不了谁。


直到上个世纪初,爱因斯坦说:你们为什么要非是这个,不是那个,为什么两者是排斥的,为什么不能融合。


所以,爱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。这个理论提出来以后,对于光的研究来说,是开辟了一个全新的世界,也为后来量子力学的发展奠定了基础。



光是什么?


在现实世界中,大家都非常熟悉二进制算法,0就是0,1就是1,但是在量子的世界里不是这样。在量子的世界里,一个事情既可以是0,又可以是1,可它到底是0还是1,是按概率来计算的。


在量子世界里,量子粒子在那里,你不去测量它,你就不知道,去测量它,才能知道是0还是1。可是科学家又加一句说,一旦被测量以后,这个东西就不是原来的东西了,它塌缩成为一个经典态。我们听着感觉非常神秘,这不奇怪;创造量子力学的科学家玻尔也说过:谁不为量子力学感到迷惑,谁就没有真正了解量子力学。


那么,量子力学里面有什么呢?


一个是波粒二象性,它既是波又是粒子;


还有一个量子力学测不准原理。比如你去测一个粒子,一旦你测到它非常准确的位置,它的速度就完全测不准,这两个的误差乘起来是个常数。


量子与量子叠加


现在的科学家,不单单要了解量子力学的两个特性,还要利用它去做很多事情。


空间量子科学实验


第一件利用光做的事情,就是量子科学实验卫星“墨子号”。墨子号是2016年8月16号发射的,也是全世界第一个在太空当中进行的量子科学实验。


墨子号要在太空中产生一个在传输过程当中不可破译的密码。因为光的光子是一颗一颗的,所以这个密码发下来以后,接收的人拿到了,窃听的人一定拿不到,所以它是安全的。


但是,如果窃听的人把光子全部拿过来,拷贝以后再转发,同样可以完成窃听吗?


其实,根据量子力学的原理,量子一旦被测量以后,它就不是原来的状态了。通俗地说,被测量拷贝的量子一定会有一定的比例和原来是不一样的。


所以有了这两个原理,我们就可以保证,用量子方法分发的密钥在传输过程中一定是安全的。


量子密钥分发安全性


这是“墨子号”的第一个任务:从天上向地面发量子密钥。我们顺利完成了星地的量子密钥的分发,最后的结果发表在《自然》2017年8月刊上。


星地量子秘钥分发


第二个事情可能更神秘了。前面说过,不测量A粒子和B粒子,你是不知道它们的存在的。但又有科学家推出了一个很“怪”的理论:在一种特定的情况下,A粒子和B粒子相当于双胞胎,测量其中一个以后,另一个的状态就一定能确定了。


这个理论,好像和前面量子力学的测不准原理是相悖的。


实际上,连爱因斯坦等发明量子力学的那些人也怀疑,是不是量子力学理论有毛病。所以,大家一直就去寻找答案,这种现象到底存在不存在。


星地双向纠缠分发的实验


所谓的相对论的定域性认为,对一个粒子测量不会另外影响另外一个粒子;而量子力学的非定域性则认为,对一个粒子测量,有可能会瞬间改变另外一个粒子。


上个世纪,爱因斯坦和玻尔两位物理学家,也为这个问题争论了很长时间。物理学家比较喜欢吵架,但这种吵架对科学发展是有好处的。


爱因斯坦与玻尔


后面有人证实了,这种现象在地面近距离是存在的。但是物理学讲究的是,测量了10公里存在,不等于11公里存在,所以这种现象在宇宙里面,到底存在不存在?


我们通过“墨子号”做了一个测试,当年做完以后对国际上影响非常大,1200公里的纠缠,我们证明是存在的。


有人说,你们这个卫星上去,如果证明出来是不对的,怎么办?


当时我也问过潘建伟院士这个问题,他就反问我:“你有没有信心说,你这个设备一定是没错的。如果是没错的,比证明是对的还伟大,就是我们从理论上又有一种可能,纠缠现象超过多少距离是不存在的。”


但现在做出来恰恰证明它还是存在的。


1200公里纠缠分发


刚才我们说量子力学很怪,拷贝以后就会错,但是如果一个世界不能拷贝,它这个世界和其他地方是割裂的,这个世界是没用的。


所以科学家认为量子世界里面,一定有它自己传输信息的方法。在上世纪末,就有人提出:如果这种纠缠现象存在,那么就可以借用这个纠缠来传递量子信息,这就是所谓的量子隐形传态。


在宇宙中,这样的隐形传态现象能不能存在?能不能通过纠缠来传递这个信息?这就是我们要做的第三个实验。


我们先用一堆纠缠堆,和另外一个粒子作用,因为A和B的纠缠,再和X一作用,它的信息自动就到B上面去了,然后把B送到另外一个地方,通过另外一个反变换,我就可以把这个X原封不动地复制出来。


但是要知道,原来的X,在量子的世界里面经过作用以后,它就没有了,但是它的信息却都传出去了,这就是我们做的第三个实验。


地-星量子隐形传态实验


这个实验做完之后,也在国际上产生了比较大的影响,因为量子科学实验卫星是中国提的想法,中国第一个做的。


欧盟的战略布局


这个实验对国际量子信息的发展产生了很大推动作用。美国在2017年10月专门开了一个听证会,特朗普说:美国是不能容忍在量子竞争当中落后于人的。我们的努力不仅给中国科学家带来了福音,国家给予了大量支持,也给世界其他国家的科学家带来了福音。


取得这个成果到现在已经三年了。量子卫星还在天上工作,科学家也在做很多新的实验,那么我们下一步要干什么?我们要做两件事。


第一件事:把科学变成生产力。我们正在策划要去做一个小卫星的星网,让量子密钥在我们国家安全领域真正用起来。


第二件事:我们还要不断攀高峰。


“墨子号”目前有两个曲线,一个是在低轨轨道运行的,因为低轨轨道是绕着地球转的,每天经过的时间非常有限,作为通讯卫星是有限制的,所以我们要把轨道提高到万公里量级。


第二个,我们现在只能在晚上做实验,还不能在白天做,因为我们要探测里面一个一个非常小的光子,非常怕有干扰,我们要解决干扰的问题。


我们准备建一个全天候高轨工作的量子卫星,我们想用一个个光子,创造一个为人类所用的量子世界。


空间量子通信的发展趋势


引力波探测


物理学家预言世界上有四种力,一个最常规的就是电磁波,还有强核力、弱核力,这三种我们都直接观测到了,只有引力波一直没有观测到。一说到这个又要提到爱因斯坦,他确实是太伟大了,不仅作出了很多发现,还预言了引力波。


直到2016年美国做的一个LIGO系统,它看到了某个地方,星星合并以后传过来的引力波。


从预言到发现引力波


引力波有什么用呢?


有一种科学说法认为,宇宙大爆炸以后,70%的能量是暗能量,你现在都没看到,在另外30%的物质里面,你看到的只占15%,而85%叫暗物质。暗物质暗能量,一直是困扰人类的东西。


曾经有科学家预言,如果我们看引力波,能够像看电磁力一样的话,这些东西可能都可以看到了。它将产生的影响也会是非常非常大的。


人类对量子宇宙物理的认知


引力波和和光学有什么关系呢?


引力波的测量原理是什么呢?


根据爱因斯坦广义相对论的预言,引力波会压缩空间,也就是说它明明是这么长的时间,引力波一来可能就被压扁了,也可能会拉长一点;这里的压扁和拉长,实际发生时是非常非常微小的,它是皮米量级,就是负十二次方量级,所以我们要希望在一个地方能够测出这个东西,才能看到引力波。


引力波探测原理


可能有人会有疑问,地面已经测到引力波了,你们为什么还要到天上去测?


因为引力波和电磁波一样,有不同的频段,而地面距离比较短,我们看到的只是引力波里面非常少的一部分,更多的必须要在非常大的距离来看,所以科学院在过去一年里面研制了“太极一号”,为引力波测量做准备。


“太极一号”已取得的主要结果


人类要真正测到引力波,还有很远的路要走。


现在我们的激光干涉仪,能够测到百皮米量级的精度,它能测到一个原子大小的距离变化。


但是,真正测量到引力波要精确到几个皮米到十几个皮米的量级。


在太空中,所谓的距离肯定要一个标准,我们会放两个重力块在那里,观察重力块的变化。但如果外面稍微有点力,根据牛顿力学定理它就要变;要不让它变,就要把它的加速度测出来;我们现在能够测到的加速度,相当于一只蚂蚁推了一下“太极一号”卫星产生的加速度。


我们现在测到了十的负九次方,真正要测引力波大概还差六个数量级。


另外,重力块在太空中飞行,太阳一照(也就是“光压”,指光照射到物体上对物体表面产生的压力)它的位置可能就变了,所以当我们探测到这个变化,就要把它调整回去,这就是所谓的微推力。


微推力要精确到什么程度呢?就是一颗芝麻的万分之一的重量。我们能做到零点几个微牛的推力,来调整我们上面两个质量块。


今后我们要做到的,是要做到10的负15次方加速度的测量。


今后我们还要建一个绕太阳转的“等边三角形”,这个等边三角形的边长是250万到300万公里。也就是说在这个距离下面,我们要知道它变化几个皮米,只有这样才能真正测到引力波。


空间太极计划-引力波探测星组


在太阳轨道上可以避开地球重力梯度噪声的影响,然后探测器温度变化要控制在百万分之一的要求。这些测量都是非常极限的程度。


现在,我们这个计划的进度和欧洲齐驾并驱了。一开始是欧洲先提出的这个计划,但经过这两年努力,我们基本已经追平。


空间太极计划路线图


在2020年到2025年,我们希望能够做一个“太极二号”来验证我们已经有了完全达到指标的测量能力。


到2025年到2033年,我们希望能够真正做出到天上去测量引力波的卫星。


作者:王建宇(中国科学院院士、中国科学院上海技术物理研究所 研究员、博士生导师、中国科学院空间主动光电技术重点实验室主任)

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