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）