最早的时候(hou)很多人说，
国外都没有做，
你们为什么要做？
但现(xian)在(zai)我(wo)们把它做成了。
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格致论道讲坛
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廖胜凯· 中国科学院量子(zi)信息与量子(zi)科技创新研究院教授
大(da)家好，我(wo)是来(lai)自(zi)中国科学院量子(zi)创新院的廖胜凯，想给大(da)家讲讲“墨子(zi)号(hao)”和“济(ji)南一号(hao)”卫(wei)星研制的故事。
我(wo)今天的分享，是希(xi)望这些信息能(neng)传递(di)给每一个(ge)人。但是，还有一些信息我(wo)不并希(xi)望别(bie)人知道。比如在(zai)网上采购时我(wo)的银行账(zhang)号(hao)和密码(ma)，再比如战争(zheng)中指挥官给前线战士下(xia)达的指令，这些信息要做到保密。
怎么保密呢？我(wo)们能(neng)不能(neng)把想传递(di)的信息放到箱子(zi)里，再加把锁，然(ran)后(hou)让快递(di)员(yuan)送到对方手中呢？这样有钥匙(chi)的人就能(neng)把锁打开，把信息还原出来(lai)。这其实(shi)就是最原始(shi)的加密和解(jie)密过程。
公元前5世纪(ji)古希(xi)腊(la)斯巴达人加密术
在(zai)2000多年前，希(xi)腊(la)的斯巴达人就开始(shi)运用这个(ge)原理了。最初其实(shi)很简单，他(ta)们不再直接把自(zi)己要传递(di)的信息写到纸上，而(er)是让这个(ge)纸条先绕着一根木棒旋转，然(ran)后(hou)再在(zai)上面写字。
传送的时候(hou)只把这张(zhang)纸送到对方手中，这个(ge)木棒是不传出去的。当别(bie)人看到纸条时，里面的信息都是乱的，看不出要表达的信息是什么。但当接收的这个(ge)人拿同样规格的棒子(zi)用它缠(chan)绕起来(lai)后(hou)，就能(neng)读出原来(lai)的信息。虽然(ran)这个(ge)加密方式比较简单，但它开启了密码(ma)学的历史。
二战时期德军Enigma密码(ma)系统
到了二战时期，加密的手段(duan)就变得非常复杂了。德军的恩尼(ni)格玛（Enigma）密码(ma)系统有一亿亿种组(zu)合，大(da)家很难把它破解(jie)出来(lai)。那是不是就没有了破解(jie)的方式呢？其实(shi)不是的。
左：德军恩尼(ni)格玛（Enigma）密码(ma)系统
右：“炸(zha)弹”密码(ma)破译计算机
图源：三(san)思科学、知乎@时空通讯
当时，英国科学家图灵和他(ta)的团队发明了“炸(zha)弹”这个(ge)强大(da)的解(jie)密装置(zhi)。它是一个(ge)速度(du)非常快的计算机，破解(jie)了德国人引以为豪的恩尼(ni)格玛密码(ma)系统，加速了二战的结束(shu)。
也就是说，密码(ma)和计算机形成了类似于矛和盾(dun)的关系，密码(ma)就相当于盾(dun)，而(er)矛就是计算机。实(shi)际(ji)上，目前的传统密码(ma)体系基于一个(ge)叫做计算复杂度(du)的问题(ti)。意思就是密码(ma)原则上是可以被算出来(lai)的，但是需要计算机花上百年、上千年。比如说我(wo)的银行账(zhang)号(hao)密码(ma)虽然(ran)可以被算出来(lai)，但可能(neng)上百年之后(hou)才能(neng)得到结果，到那时候(hou)其实(shi)已经没有意义了，账(zhang)号(hao)里面早就没有钱(qian)了。
然(ran)而(er)，现(xian)在(zai)的超级计算机，包括全(quan)球正在(zai)研制的量子(zi)计算机为代(dai)表的超强计算能(neng)力对传统的密码(ma)系统提出了一个(ge)非常大(da)的挑战。理论上讲，量子(zi)计算机可以破解(jie)所有的RSA类非对称的传统密码(ma)体系。
01.结合了量子(zi)的加密系统
那什么是量子(zi)呢？量子(zi)是微(wei)观粒(li)子(zi)，看不见摸不着。
从左到右：分子(zi)、原子(zi)、光子(zi)
图源：DSTOR.COM
大(da)家都知道一些微(wei)观的粒(li)子(zi)，比如分子(zi)、原子(zi)、光子(zi)等(deng)等(deng)，但它们表现(xian)出来(lai)了非常多的量子(zi)特征。
量子(zi)是能(neng)量的基本携带者。比如我(wo)头顶上这个(ge)灯泡(pao)可能(neng)有100瓦，当你用一个(ge)衰减(jian)器使它不断衰减(jian)，衰减(jian)到1020、1021的时候(hou)，可以看到它是一份一份蹦出来(lai)的能(neng)量，叫做光子(zi)。
这个(ge)离散的、量子(zi)化的理念推进(jin)了量子(zi)力学的研究，于是才有了现(xian)在(zai)量子(zi)信息领域(yu)的发展。没有量子(zi)力学，可能(neng)就没有现(xian)代(dai)芯片，没有激光，也不会有我(wo)们现(xian)在(zai)这么方便(bian)的信息社会。
在(zai)这个(ge)过程中，量子(zi)不可分割和不可克(ke)隆的特点正好又给予了我(wo)们一个(ge)新型的传送密钥的手段(duan)。总体来(lai)讲就是，发射端把信息用一个(ge)个(ge)的光子(zi)编成0和1的状态，然(ran)后(hou)传送到接收端。接收端拿到的这个(ge)光子(zi)的信号(hao)，别(bie)的窃听者是拿不到的，而(er)且(qie)也没有被照相机拍过。用它结合一次一密的加密方式得出来(lai)的这种加密系统，就算用再强大(da)的计算机也破解(jie)不了。
左：Charles H. Bennett
右：Gilles Brassard
这个(ge)想法其实(shi)在(zai)1984年的时候(hou)就由贝纳(na)特（Bennett）和布拉萨(sa)德（Brassard）两位科学家提出过，他(ta)们也是受了20世纪(ji)60年代(dai)一位科学家提到的量子(zi)钞票的影响。
虽然(ran)量子(zi)钞票我(wo)们还没有造(zao)出来(lai)，但是在(zai)这个(ge)思想的启发之下(xia)，科学家们提出了量子(zi)密钥分发。接下(xia)来(lai)，能(neng)不能(neng)通过实(shi)验让它真正成为一个(ge)能(neng)保密的系统呢？
左：ACM Sigact News 20, 78–80 (1989)
右：PRL 98, 010505 (2007)
左边是想法提出5年后(hou)的第一个(ge)实(shi)验里，这个(ge)系统才能(neng)传输32厘米。大(da)概(gai)20年以后(hou)，光纤信息通道距离就被做到了100公里，开启了产业化研究。那利(li)用光纤的方式能(neng)把量子(zi)密钥做到千公里、万公里级别(bie)吗？这里面的挑战非常大(da)。
02.量子(zi)卫(wei)星有可行性吗？
光纤类似一个(ge)水管，光子(zi)在(zai)里面传输的过程中会被水管给吸收掉，这其实(shi)就是损耗(hao)。这个(ge)损耗(hao)大(da)概(gai)有多少呢？100公里之后(hou)，光子(zi)数只剩下(xia)到原来(lai)的百分之一，200公里以后(hou)就只有原来(lai)的万分之一了。到1000公里以后(hou)就有1后(hou)面20个(ge)0的一个(ge)损耗(hao)。所以要做到更(geng)远几乎不可能(neng)。
我(wo)们能(neng)看到远方的恒星，能(neng)探测到数亿光年的星光，是因为在(zai)太空的真空环境下(xia)，光子(zi)的损耗(hao)几乎可以忽(hu)略不计。那么，有没有可能(neng)利(li)用这个(ge)特点，结合卫(wei)星实(shi)现(xian)更(geng)远距离的密钥传送呢？
这其实(shi)就是我(wo)们最开始(shi)的想法。当然(ran)，即使真空里几乎没有损耗(hao)，但从卫(wei)星把光子(zi)打到地面进(jin)行探测，还需要穿过中间的大(da)气。
2003年，13km量子(zi)密钥分发地面实(shi)验
因此，我(wo)们的第一个(ge)实(shi)验就是要探究光子(zi)穿过大(da)气之后(hou)，量子(zi)的状态还能(neng)不能(neng)得以保持。这个(ge)实(shi)验大(da)概(gai)是在(zai)2003-2005年完成的，首次证明了这个(ge)事情(qing)有实(shi)现(xian)的基础。
那时候(hou)我(wo)还在(zai)上本科，学过量子(zi)力学的课程。虽然(ran)考过90分左右，但是我(wo)对量子(zi)力学里面的一些概(gai)念还是感到苦恼，有一些迷茫，其实(shi)可能(neng)跟大(da)家第一次听到量子(zi)这个(ge)概(gai)念时一样。
很幸(xing)运的是，我(wo)在(zai)读研究生的时候(hou)，就想把我(wo)的电子(zi)系统这个(ge)专业和卫(wei)星结合起来(lai)。正在(zai)这时，想做卫(wei)星量子(zi)通信的潘建(jian)伟老师团队和我(wo)的导师王建(jian)宇老师的团队建(jian)立了合作，因为我(wo)们有一些非常好的卫(wei)星技术。
我(wo)们首先想做的关键(jian)核(he)心是什么呢？就是要把天上的光子(zi)准确地“扔”到地上的望远镜里。望远镜不可能(neng)无限大(da)，所以就要扔得非常准。比如上海到广州之间大(da)概(gai)1200公里，指向的准确度(du)我(wo)们希(xi)望能(neng)控制到1米左右，类似于卫(wei)星上一个(ge)手电筒打过来(lai)的光斑(ban)尺寸大(da)概(gai)也就12米，这样就能(neng)有效控制星地之间的损耗(hao)。
最早的时候(hou)，国外有的类似的技术，但我(wo)们的指标(biao)要求(qiu)更(geng)高，一开始(shi)我(wo)们也希(xi)望从国外进(jin)口，但是他(ta)们不卖(mai)给我(wo)们中国。所以王老师带着我(wo)们几个(ge)学生，像草根一样，从0开始(shi)把它做起来(lai)。
我(wo)们花了2年多的时间，在(zai)成都验证了技术上的可行性。这是当时三(san)十几度(du)时，我(wo)们在(zai)一个(ge)篮球场旁边戴着草帽做实(shi)验的照片。当时大(da)家心里都非常喜悦，因为我(wo)们做出了一个(ge)原来(lai)觉得不可能(neng)的事情(qing)。
把跟踪瞄准技术和量子(zi)信源探测器等(deng)融合之后(hou)，我(wo)们形成了真正的量子(zi)密钥分发装备。但是，仅仅在(zai)实(shi)验室(shi)验证还是不够的。
2010年，量子(zi)密钥分发地面实(shi)验
于是，我(wo)们就想着要模拟卫(wei)星到地面的远距离损耗(hao)，还要模拟卫(wei)星飞(fei)来(lai)飞(fei)去的相对运动，所以我(wo)们把它搬到了青(qing)海的这个(ge)试验场里，把它放到了车上、吊车、吊篮上面验证。
2010年，实(shi)现(xian)车载浮空平台百公里量子(zi)密钥分发实(shi)验
除此之外，我(wo)们还把它放到了大(da)的浮空热气球等(deng)各种环境里，让它在(zai)远距离下(xia)相对运动，由此来(lai)验证我(wo)们这个(ge)实(shi)验到底能(neng)不能(neng)做成。
做这个(ge)实(shi)验的时候(hou)还是挺辛苦的。这个(ge)实(shi)验只能(neng)晚上做，白天我(wo)们要不停地准备。在(zai)外场时我(wo)们基本都是坐在(zai)草地上，饿了就吃点干粮，晚上很多时候(hou)都是通宵。
我(wo)们从5月开始(shi)做实(shi)验做到了10月，直到整个(ge)青(qing)海湖都结冰(bing)了，才终(zhong)于克(ke)服了各种设(she)备的不稳定性、环境的各种干扰(rao)等(deng)等(deng)，完成了实(shi)验验证。正是因为这些数据，表明了卫(wei)星是具备可行性的。
03.点燃全(quan)球的量子(zi)激情(qing)
到2011年，在(zai)潘老师的带领下(xia)，我(wo)们完成了世界首颗量子(zi)科学实(shi)验卫(wei)星的立项(xiang)。
除了星地的量子(zi)密钥分发实(shi)验之外，卫(wei)星还有另外的两个(ge)科学目标(biao)，即量子(zi)隐(yin)形传态和量子(zi)纠(jiu)缠(chan)分发的实(shi)验。
左：地面仪器
右：太空仪器
以前我(wo)们这种精密设(she)备都处在(zai)实(shi)验室(shi)的恒温、恒湿环境里，连震动也没有。但是搬到卫(wei)星上后(hou)，没有人可以上去维(wei)修。而(er)宇宙里的射线、太空环境的高低温和真空、火箭(jian)发射时激烈(lie)的震动等(deng)等(deng)都考验着设(she)备。我(wo)们必须要保证这个(ge)设(she)备万无一失。于是，我(wo)们打了5年的“怪兽”，最终(zhong)解(jie)决了这些问题(ti)。
2016年，世界首颗量子(zi)科学实(shi)验卫(wei)星“墨子(zi)号(hao)”成功发射
2016年，我(wo)们成功地把“墨子(zi)”号(hao)卫(wei)星送上了天之后(hou)，随后(hou)紧锣密鼓地开展了卫(wei)星到地面的星地实(shi)验。
图源：陈颖为
这是一张(zhang)在(zai)兴隆拍的照片，非常漂亮的景象。
图源：朱(zhu)进(jin)
这是在(zai)乌(wu)鲁木齐南山拍的，绿色的线是卫(wei)星发射下(xia)来(lai)的光，红色的线是地面的台站打上去的光。
看上去兴隆的光更(geng)红一点，实(shi)际(ji)上是因为兴隆大(da)气里面的灰尘更(geng)多一些，会散射出更(geng)艳丽、更(geng)强的光。
图源：Nature 549, 43 (2017)
我(wo)们大(da)概(gai)花了四(si)五个(ge)月的时间采集完成了星地量子(zi)密钥分发的实(shi)验数据。这个(ge)成果在(zai)2017年7月发表在(zai)了《自(zi)然(ran)》（Nature）杂志上，实(shi)现(xian)了国际(ji)首次星地量子(zi)密钥分发实(shi)验。在(zai)1200公里的距离上，跟同等(deng)距离的光纤信道相比，我(wo)们的光子(zi)密钥分发效率(lu)提升了20个(ge)数量级。
我(wo)们做成这件事之后(hou)，很多国家也都想做，其中有潘建(jian)伟老师的导师奥地利(li)科学家安东·塞林格（Anton Zeilinger）教授。他(ta)们当时也想做这个(ge)，但我(wo)们比较努力，决策(ce)也比较快，把这个(ge)先做成了。
我(wo)们的实(shi)验完成了之后(hou)，塞林格教授就马(ma)不停蹄地飞(fei)到中国来(lai)，请求(qiu)加入我(wo)们团队。我(wo)们帮他(ta)一起改造(zao)了他(ta)们的一个(ge)地面站，实(shi)现(xian)了星地密钥分发。
图源：廖胜凯、PRL 120, 030501 (2018)
同时，我(wo)们用卫(wei)星互联了欧洲和亚洲这两个(ge)地面设(she)备，支持了量子(zi)保密通信的会议。这个(ge)成果在(zai)2022年的诺(nuo)贝尔奖发布会上作为领域(yu)的一个(ge)重要成果进(jin)行了展示。
左上：欧盟量子(zi)技术旗舰(jian)项(xiang)目
右上：美国国家量子(zi)驱动计划NQI
左下(xia)：新加坡SpooQy-1（2019年入轨）
右下(xia)：美国CAPsat 探测器（2021年底入轨）
“墨子(zi)”号(hao)和量子(zi)隐(yin)形传态、量子(zi)的纠(jiu)缠(chan)分发实(shi)验成果一起点燃了国际(ji)上的研究热情(qing)，欧洲、美国也极大(da)地加大(da)了这个(ge)领域(yu)的布局，各种计划也被提出来(lai)了。
04.在(zai)白天也能(neng)用上量子(zi)卫(wei)星
实(shi)际(ji)上，“墨子(zi)”号(hao)还只是一个(ge)实(shi)验装置(zhi)，成本、体积、功耗(hao)都还比较大(da)。如果是要用它传送密码(ma)，以它的服务(wu)能(neng)力来(lai)讲，服务(wu)的用户还是有限的。
除此之外，它还只能(neng)晚上干活。这也是我(wo)们当时在(zai)青(qing)海湖做实(shi)验时常常吐槽的一件事情(qing)。有时候(hou)白天只能(neng)做一般的准备工(gong)作，晚上才是通宵达旦的连接。我(wo)们想要的就是更(geng)多的服务(wu)能(neng)力，我(wo)们想像SpaceX一样发射更(geng)多卫(wei)星。但更(geng)多的卫(wei)星就意味着更(geng)多的成本，那单星的成本能(neng)不能(neng)降下(xia)来(lai)呢？
于是，我(wo)们又花了几年时间把“济(ji)南一号(hao)”卫(wei)星的尺寸压低到了“墨子(zi)号(hao)”的6分之1，成为百公斤(jin)级的卫(wei)星。国内要把卫(wei)星打到太空的每公斤(jin)成本大(da)概(gai)在(zai)10万块钱(qian)左右，这个(ge)成本还在(zai)陆续下(xia)降，但卫(wei)星越小(xiao)总是成本越低。
为了解(jie)决问题(ti)，我(wo)们只能(neng)迎难而(er)上。这个(ge)过程中涌现(xian)出了一些非常优秀的伙伴。像2022年在(zai)发射前的总装总调环节，也因为疫情(qing)原因，有工(gong)程师大(da)概(gai)80来(lai)天都待在(zai)实(shi)验现(xian)场，一直都回不了家。
在(zai)2022年7月份，“济(ji)南一号(hao)”卫(wei)星成功送上了天，之后(hou)还完成了和地面的互联，实(shi)现(xian)了实(shi)时密钥分发。同时，我(wo)们利(li)用光的信道完成了星地之间的光通信。也就是说，除了送密钥，同时还可以传递(di)加密的密文。
我(wo)们开玩(wan)笑说，“济(ji)南一号(hao)”就相当于在(zai)太空运行的一个(ge)邮递(di)员(yuan)，我(wo)们叫它“量子(zi)安全(quan)的邮递(di)员(yuan)”。
05.尝试在(zai)白天分发密钥
我(wo)们前面提到白天为什么做不了实(shi)验。其实(shi)很简单，白天大(da)家不用戴什么夜(ye)视仪就可以看到很多东西，这是因为有太阳光，有各种各样的散射。对于量子(zi)密钥分发来(lai)说，也就是对于以量子(zi)的方式用光子(zi)来(lai)进(jin)行千公里的传送和探测解(jie)码(ma)这件事来(lai)说，这是一个(ge)极其大(da)的噪声(sheng)。白天背景噪声(sheng)的光子(zi)强度(du)大(da)概(gai)是夜(ye)晚的105-106量级，需要攻克(ke)非常多的关键(jian)技术。
攻破这个(ge)问题(ti)的好处会是什么呢？对于低轨的卫(wei)星来(lai)说，它们大(da)概(gai)在(zai)50%的时间里受太阳照射，如果我(wo)们攻克(ke)了白天噪声(sheng)环境下(xia)的密钥分发问题(ti)，那至少白天晚上都可以做试验了，增加了50%的实(shi)验时间。
对于更(geng)高轨的卫(wei)星来(lai)说，它们被太阳照射的时间更(geng)长。比如地球同步卫(wei)星（GEO卫(wei)星）大(da)概(gai)在(zai)99%的时间里都是被太阳照射的。如果攻克(ke)了白天的技术，中高轨的卫(wei)星也是有希(xi)望能(neng)实(shi)现(xian)的。高轨卫(wei)星就跟我(wo)们现(xian)在(zai)的广播电视卫(wei)星一样，三(san)颗卫(wei)星就可以覆盖全(quan)球。当地面想跟它互联互通的时候(hou)，它就在(zai)你的头顶上。
2017年时，我(wo)们在(zai)青(qing)海完成了一个(ge)演示性白天量子(zi)密钥分发实(shi)验，大(da)概(gai)做到了白天自(zi)由空间信道53公里。这个(ge)距离到现(xian)在(zai)（2023年）为止仍然(ran)是世界纪(ji)录。
当然(ran)，我(wo)们已经把它的实(shi)验时长和鲁棒性（稳健(jian)性）进(jin)一步升级了，也就是说我(wo)们具备了研制更(geng)高轨卫(wei)星的基础。希(xi)望我(wo)们能(neng)在(zai)2026年左右把新的中高轨卫(wei)星研制出来(lai)，构建(jian)一个(ge)星地之间的量子(zi)密钥分发网络，为我(wo)们的信息安全(quan)做一份贡(gong)献。
同时，中高轨的卫(wei)星不仅仅只有量子(zi)通信这一种应用。我(wo)们用一些调控技术使它也应用到了量子(zi)的另外一个(ge)领域(yu)，即量子(zi)精密测量。我(wo)们还可以在(zai)上面研究更(geng)精密的光晶格钟，能(neng)比现(xian)在(zai)的北(bei)斗卫(wei)星导航(hang)系统或(huo)者是GPS上的钟的指标(biao)要高5-6个(ge)数量级。这样就能(neng)建(jian)立更(geng)大(da)的、空间尺度(du)的实(shi)验平台，为开展量子(zi)基础物(wu)理的检验、暗(an)物(wu)质的探测、引力测量等(deng)工(gong)作提供一个(ge)新的实(shi)验平台。
这是一张(zhang)多年前我(wo)们和“墨子(zi)号(hao)”的合影，是我(wo)非常非常喜欢的照片。我(wo)们的研究从0开始(shi)，国外都没有做过。最早的时候(hou)很多人说，国外都没有做，你们为什么要做？但我(wo)们现(xian)在(zai)把它做成了，国外也有非常多的研究者开始(shi)研究我(wo)们的一些工(gong)作。这让我(wo)们觉得，我(wo)们走(zou)到了世界的最前沿。
研究的过程中有非常多大(da)胆创新的想法，还有脚踏实(shi)地的工(gong)作。没有这两者，我(wo)们很难真正把想做的大(da)的、国际(ji)领先的科学工(gong)程做出来(lai)。
我(wo)们也会有一些意外的收获。比如在(zai)发射卫(wei)星之前，我(wo)们争(zheng)相跟卫(wei)星拍照留念，因为以后(hou)我(wo)们可能(neng)就看不到这个(ge)卫(wei)星了。但是“墨子(zi)号(hao)”卫(wei)星发射之后(hou)，我(wo)们仍然(ran)有机会像这张(zhang)照片一样，跟它在(zai)空间尺度(du)上面来(lai)一个(ge)漂亮的合影。
谢谢大(da)家。