量子纠缠，我们能够用它干什么呢？

　　来源：墨子沙龙微信公众号

　　作者 | 彭承志（2016年演讲于墨子沙龙）

　　我今天演讲的题目是量子技术漫谈，我们从哪开始呢？我想从100年前的一场会议开始，它就是第五届索尔维会议，这个会议当时号称聚集了全世界三分之一最聪明的头脑。我们看一下，总共有29个人开会，大概有17名诺贝尔奖（获得者），而且与会者是爱因斯坦、洛伦兹、居里夫人、普朗克等，全部都是如雷贯耳的名字。

　　这个会议讨论的主题是什么呢？

　　量子力学。

　　量子力学是我们百年来科技发展最大的支柱，毫不夸张地说，它改变了我们整个世界，从改变这个世界的深度和远度来讲，它一点都不逊色于1927年开的会，不逊色于这之前的第一次世界大战，更不会逊色于之后的第二次世界大战，因为直到现在它还在改变着我们的世界。

“量子力学的最大特点”

　　但是我这里不是想讲量子力学有多伟大，我今天想讲的是什么呢？因为在座的男生比较多，我们又在上海，量子力学干了很多活，包括半导体、计算机、激光互联网、原子核、核能。但是从量子力学诞生的第一天起，它就不像之前所讲的一些理论。

　　比如说牛顿力学出来以后，牛顿老先生是马上就被聘为英国的铸币局的局长，从此以后名利双收，牛顿老先生在那之后让全世界都认为，牛顿力学出来以后证明了上帝的存在，所以牛顿力学那个时候绝对是一统江湖，在人类的整个思想界一统江湖。

　　但是量子力学不一样，量子力学改变了如此多，对世界产生如此深远的（影响），但是从量子力学诞生的第一天起，它的缔造者之一爱因斯坦，我们的老先生就开始在那反对（量子力学），他说量子力学至少不是全部正确的。

　　即便到现在，100年过去了，我们现在基本上科学就开始这么说，虽然微观世界描述的规律和我们宏观世界很多的感觉不一样，但我们相信量子力学是对的，但是到现在，包括我们自己，我们有一个大教授——诺·贝尔奖的获得者，以前（我们）都是看他的书长大的，看他的书学过来的，他退休以后也开始讲，也许是有一个更新的理论能够证实，更新的理论就像相对论替代牛顿力学一样，有一个更新、更全的理论可以替代量子力学。

　　所以你看量子力学最大的特点是什么？它干了很多活，一直被证明是正确的，但是一直不停地有人质疑它，到了爱因斯坦、温伯格这种，我们是觉得这个是科学永远的自我怀疑的一种精神。

　　但是要知道在我博士毕业的时候，我发了第一篇跟量子力学实验有关的文章以后就开始收到信，跟我要探讨量子力学的正确性，当时我一看很紧张，这要探讨量子力学的正确性，马上我就发给潘老师了，潘老师后来把我臭骂一顿，这种信你给我干吗？难道你让我跟他讨论一下量子力学吗？

　　确实是这样，量子力学从它的诞生到现在，你会发现跟我们上海男人的地位很相似，在这里我介绍一下我们两个上海的男人，准上海，我们算是娶到上海的男人。一个是我，我现在是量子卫星的科学应用系统总师，还有一个是刚才在台上的陈宇翱教授。

　　我觉得我们干的活也挺多的，我们在外面也是彭总、陈总，量子卫星也成功上天了，京沪干线在地上连的也很好，在家里我们表现得也不错的，老婆一说要洗菜我马上就倒水，老婆说要拖地我就打电话叫钟点工，虽然我们自己不会拖。

　　但是在这里地位还是很低，我一直搞不清楚，难道这个科技宅男，我经常说我们是科技宅男，当然我们的爱因斯坦是科技宅男的先辈，前面有更多的科技宅男的前辈。为什么我们科技宅男的宿命就跟量子力学一样？有一天我去请教我太太，为什么我在家里的地位总是这么地低？比陈宇翱还低，（因为）我家里比陈宇翱多一个小孩，所以我在家里的地位比陈宇翱还低，为什么是这样子的？

　　她就跟我讲了，她说你看让你倒个水你洒地上，让你洗个菜你洗不干净，让你拖地你只会叫钟点工，万一钟点工不来这个地就拖不了了。就你这样，你量子力学那些东西讲的是很炫，卫星看上去是很厉害，但是我不懂，我不知道你具体在干什么，所以我就只能觉得，你这个连家务都干不好的人都能把卫星干好，那肯定是因为那些事情太容易了，当时我就明白了一点——关键我得给我老婆讲明白，我到底在干什么。

　　所以很高兴今天有墨子沙龙这个平台，我的报告题目叫做量子技术漫谈。大家很好奇，我到底在做什么工作，我在实验室到底做的是什么东西？我想来（和大家）讲一讲这个。我们从哪里开始呢？让我们从光开始，为什么呢？因为上帝说要先有光？当然不是这样，因为我们是在墨子沙龙，我们不讨论上帝。

　　为什么从光开始？

　　因为光这个东西太普通了，小孩子一睁开眼睛就能看到光，就对光有反应，人在地球上接受到的信息中，80%是由眼睛，也就是光传进来的，整个地球能够存在是由于太阳，太阳的能量是怎么过来的？全部都是光传送过来的。我们在这个世界上能够看到最老的物体是什么？不是这个地球，这个地球只有40几亿年，你要去找40几亿年的岩石，要把地打下去一个很深的洞你才能看到。抬头看天，虽然你的肉眼可能感觉不到，但是有100多亿年以前的光子会进入到你眼睛里。

　　光是最普通的，它随处可见，但是这种普通的东西又一定是最神奇的。为什么这么说呢？

光

　　我再举一个例子，几百万年前，那时人类还是山顶洞人，他们走出山洞，可以看到和我们一样的星空，那时候没有污染、没有雾霾，所以他们看到的星空可能更漂亮；古时候人们打仗也会看到这个星空，看到星空以后将相们很高兴，今天月光很好，召集群臣，召集嫔妃大宴群臣，文人墨客呼朋唤友，如果是柳永的话，还要从青楼请两位佳人，吟诗作对，举杯邀明月，对影成三人。

　　我们科技宅男的先辈们在干什么呢？科技宅男一看到星空，就会思考思考什么？这些星空的光是哪来的，是什么东西让我们看到有星空，这个星空是什么？这个世界到底有多大，这个世界怎么来的？很自然的，人类仰望星空，就会思考这些问题，这些星星为什么在那里？

　　围绕这个问题产生了很多理论，大家都知道，最早的时候是地心说，牛顿力学出来以后地心说被推了，开始带来静态的无穷大的宇宙，宇宙是无限的，时间是永无止境的，星空也是无限的，这是后来的一个观点。

　　但是实际上，光早就告诉你答案了。我们科技宅男也是土（没想到），牛顿力学建立起来一百多年、两百多年以后我们开始意识到一个问题，假如宇宙是无限的，假如地球存在的时间也无限长了，也就是说宇宙中星星的数量也是无限的，那我们就推出一个结论——你看不到黑暗的星空。你一走出门就已经被星星给晒死了，因为你要拿所有的星光积个分的话，你会发现地球上星光的强度是无穷大的。

　　那就是说我们科技宅男看世界的眼光是什么？抬头一看天是黑的，这个世界是有限的，这就是结论，事实上现在的宇宙也告诉我们，这个宇宙体积上是有限的，时间上也是有起点的。

　　我们再讲一个科学看世界的例子。

　　我们看到的光很容易产生，实际上任何一个物体都会发光，蜡烛什么的都会发光，你哪怕是拿一个黑漆漆的铁块，你把它加热到一定温度，很早很早以前人们都看到铁匠打炉子，铁块就会发光。

　　所以光是怎么来的呢？光是构成这个物质最基本的颗粒原子，一振动就会发光。这里面就会有一个问题，原子发光的特性是什么呢？

　　量子力学出来之前就开始做仿真计算，算出来答案是什么呢？就是假如这个原子是发光的，按正常的理解，这个光始终是连续不断的、一路一路发出来的，我们从来没有看到光断掉。如果是连续发光的话，你就会得出一个公式，就是能量越低的光发光的能量越强。也就是说，如果有一个原子，一发光就发出所有频率的光，而且是无穷大的光，频率越低的光能量越强，整个世界一下子就清净了，为什么呢？全都变成光了，这个世界只有光和剩下来的残渣。

　　但是我们没看见世界是这样子的呀，普朗克就提出了一个假设，原子发光是不连续的，它是量子的，整个世界都是量子的。

　　如果这个世界不是量子的，这个世界就不存在了，我们就不会坐在这里讨论这个问题，科学看世界就是这样子的。到了发光的原子层面，怎么才能看到真正的量子，或者怎么做出一个一个的光量子？量子力学预言了光量子的规律，我要把一个光子弄出来，这个时候我们说技术就开始出场了，怎么弄？

　　技术出场：怎么弄？

　　这里有一个很小的模块，很小的一个柱子，这个柱子直径大概是千分之一毫米，大概相当于一根头发的1%，这里面囚禁着一个半导体里的载流子，我们把它称之为一个半导体的量子点。它的特点是什么？当我们用泵浦光打上去的时候，它的功能就相当于一个原子。

　　原子太小，我们真的去抓一个原子是抓不出来的，但是我们人聪明的地方是什么？我们可以用这样的体系模拟出一个原子发光的过程。然后这个体系发一下，只发出一个光子，这就是单光子光源。

　　实验室里的单光子光源和我们平常用的手机芯片是一样的，但是它要把这个芯片降到很低很低的温度，外面有一个大罐子，大罐子里面这个亮点我们把它叫做量子点，每次我们就可以用这样一个点造出一个光子来，造出一个光子以后我们就可以做实验了。

　　比如前面潘老师讲了纠缠，怎么产生量子纠缠？假如这儿有个电梯，我们知道葫芦娃里有水娃和火娃，但是大家不知道他们是双胞胎，水娃和火娃如果一起进了电梯，电梯门一关，上去了，俩人衣服一换，出来了，谁是火娃、谁是水娃？

　　量子力学预言，这个时候不是说我们不知道谁是火娃、谁是水娃，这个时候你不不去问火娃的话，它自己也不知道，它既是水娃也是火娃，这是量子力学语言（和经典力学）不一样的一点，直到最后，如果说你问它，你是火娃吗？是，那另外一个一定是水娃。这种量子纠缠的这种现象不管分开多远也是成立的。用量子纠缠，我们又可以做很多很多事。

　　卫星中的量子纠缠

　　那我们怎么做量子纠缠呢？图片中就是我们卫星里面的一个量子纠缠源，看起来很简单，一堆铁疙瘩再加一个电子板，很像电路机箱，但是它有一个激光干涉仪，就像我们刚才说的电梯，可以把两个单光子“干涉”出来，最后这个纠缠源在天上可以以每秒大概100万个的速率，不停地产生一堆一堆的火娃跟水娃。

　　当然纯粹的单光子源用来做量子密钥太难了，我们在理论上和在实验上又提出了新的方案，诱骗态光子源，这个机器里就合成了一个诱骗态光子源，可以用来做量子密钥分发。

　　信息传输

　　好，现在做出量子纠缠了，我们能够用它干什么呢？

　　量子力学经常受到很多质疑，比如量子通信不是通信，量子通信不（像我们说的那么）安全，当然这个时候我们很难回答，为什么呢？我说想要证明量子通信不安全的人，最简单的方法就是发一篇理论文章，再用实验验证，做完以后就可以拿诺贝尔奖了，也不必在媒体上质疑了。

　　至于量子通信是不是通信，这个取决于到底传什么。我这里可以介绍一种，量子密钥分发，前面陈宇翱已经介绍了，我们的卫星里面还做了量子隐形传态，这个时候我们怎么来传输信息呢？我们就用这种纠缠，两个火娃、水娃之间的关联特性，我传输这个信息的时候，我就已经不用这个信息的载体了，而是用纠缠把这个信息直接传送过去。

　　单光子探测

　　这个是我们讲的光源，这个光源看起来也很简单，就是一个量子点，再做一台像电脑一样的东西，就是我们的纠缠源，然后我们把它放到天上去，但是这样单个的光子我们怎么探测呢？

　　其实有很多种探测光的方式，眼睛就是最标准的对光的一个探测，而且眼睛自然的进化很厉害，在单光子探测器出现之前，眼睛是这个世界上最敏感的光探测器。我们曾经有物理学家试过，大概十个到百个左右的光子就已经足够让眼睛有反应。

　　我们现在看到，一个光子眼睛还是探测不到的，因为单光子能量很弱、很弱，但它是有能量的。为什么我们传统的探测器或者眼睛对打出来的单光子感应不到呢？单子光打到眼睛里面的时候，实际上它也产生信号了，但是这个信号太微弱了，我们全部都淹没在眼睛或者仪器里面的噪声里去了，怎么办？

　　我们用超导纳米线做了一个特殊的眼睛，把它降到很低、很低的温度，非常低的温度意味着什么？意味着原子什么的全部都已经静止了，一点一点的扰动就可以扰动到它。然后一个光子打进来，在纳米线上转变成的热量，就足以让它退出超导的状态，我们就可以探测到这个光子。我们还有新的技术，比如说我们有半导体雪崩的这种效应，也可以做这种单光子探测器，这样的单光子探测器我们就可以把它搬到天上，这样我们在天上就能够探测到地面发出的量子光了。

　　量子卫星·面对面

　　量子光的发射和接收实现后，我们就可以干很多事情，包括我们量子星里边的几个基本的任务。

　　比如说量子密钥的分发，我们可以从外太空，直接在卫星和地面之间建立密码通道。卫星有一个好处，它可以全世界到处跑，假如不追求覆盖效率，一颗卫星也可以覆盖全球，可以给全球任意一个大使馆都实现量子密钥分发，产生我们还把纠缠源放到天上，我们可以把那个火娃、水娃真的从卫星上面送到千公里外的两个接收端来检测火娃、水娃的量子力学的非局域性，我们还可以用量子隐形传态来做量子纠缠的传送。

　　这个就是我们量子卫星整个的形状，你看这是一个光学天线，这边两个红布都是光学天线。我没做量子卫星之前也觉得卫星很神秘，开始做之后发现卫星的每一根线都是人手工制作、搭建的，从自动化程度来说，还不如富士康的iPhone手机生产工厂，但是从质量、从科技含量来说，卫星（比富士康）还是高级一些的。

　　量子卫星（实验仪器的体积）大概一个立方米，可以把我们的实验仪器全部都装进去。

　　光有卫星在天上还不行，还要有地面接收卫星的量子信号，实际上这个也很简单，我们跟天文台合作，天文台那里天气好、有后勤、有道路，我们去做实验的地方都是风景非常漂亮的。

　　这是北京边上的兴隆、乌鲁木齐边上的南山，这是青海的德令哈，这个大家都知道云南的丽江，这里是西藏的阿里，海拔很高，欢迎大家过去。

　　在这样几个地面站，我们用这种光学望远镜把这个光收下来以后，然后用前面说的单光子探测的系统进行探测，这就是我们实验的照片，这个绿色的就是在天上发下来的信标光，红色的就是地面发射的信标光，但是这个信标光本身并不传输这个量子信息，我们的量子信号会沿着这两个光标记的信道发下来。

　　十年磨一剑

　　这个必须要讲一下做科研人的感受，“墨子号”量子卫星8月16日发射上天，发射大概一周后，我去了北京兴隆，因为量子卫星光的亮度设计的余量比较高，打下来的时候强度比较大，大家可以试着去找一下。

　　在上海，别的星星你基本看不到，但是金星可以看到，金星是除了月亮和太阳之外肉眼能够看到的最亮的天体。量子卫星的亮度打下来你会发现比金星还要亮，然后它的颜色是绿色的。

　　夏天在兴隆你可以清晰地看见背景的银河，当你肉眼看到亮点，一个比金星还亮的亮点，就那么很安静很安静，它离我们太远了，你听不到它的声音，非常安静地从这个天空一路划过天际的时候，你心里那个感觉，当时我一直在想，这个是我做的，这个感觉太爽了。

　　所以做科技宅男有的时候反射弧比较长，动手也慢一点，可能老婆叫倒个水5分钟还不知道水在哪里，我们做一个事情，做这颗星要做十年，但是十年以后成功的时候带来的感觉，也确实不能简单地用一个“爽”字来形容。

　　这就是我们量子星工作的时候，它在飞过兴隆，飞过南山，飞过德令哈，它会建立起这个密钥，建立起这个纠缠，隐形传态实验，它某种程度上是通过卫星和地面一起构建一个真正的天地一体化的实验，这个实验室是非常巨大的，覆盖了几千公里这样大的范围，我们就在这个范围里做量子力学的实验，它也开辟了未来空间量子科学实验的一个方向。

　　量子操控技术

　　最后再简单地介绍一下我们其他小组的一些工作，我们前面讲的量子卫星，本质上就是把一个光量子从天上扔下来，地上能收到、能看到就行了，再不就是把一个光子从里面扔上去天上去了，这是我们在很广阔的空间尺度上构建的量子实验体系，我们实验室还有很小的尺度，它能做什么？

　　大家看这个照片，这是一个个格子，一个格子是一微米或者是500纳米，每个格子里的一个亮点是什么？是一个原子，我们前面说了，正是因为单个原子太小了，所以我们没办法用单个的原子来产生单光子源，所以我们想了一种办法，用一个半导体的柱子来产生单光子源。

　　但是我们科技宅男是不放弃的，单个的原子我们也可以试一试，我们这种技术就能够抓住单个原子，然后把单个原子一个个地排列起来，一个个地进行操纵。

　　大家看，这是我们用单个单个的原子排出了量子力学一个著名的符号。我们做这些（大尺度、微型尺度的实验）是为了什么呢？我们目前可以操纵最小的颗粒，我们想要操控的更多，在更大的程度上进行操控，我们人类在自然界繁衍出来，一直想干的事情就是超越这个自然界，毛主席说了人要胜天嘛，这个其实也就是我们从技术层面，从量子层面要做的事情。

　　未来·已来

　　其实人类不理解量子力学或者批评量子力学是不对的，是因为我们离量子力学不够近，当我们远远地看量子力学的时候，我们其实就像从高楼里看低处广场上的人。广场上有很多人，每个人都在说话，每个人说话的内容都是有意义的，每个人唱歌的声音也是很好听的，但你离远了以后你只会听到一片的噪音，你只会看到一些茫然的人群。

　　而我们研究量子力学，前面我们做了件事情，就是把这种人群，把粒子的群，让他用同一个声音发音，这种就叫宏观的量子态。

　　比如说前几十年这种激光，包括晶体管，核能的一种基础，就是把所有的量子都调制到一个台面上，他们就变成合唱团了，这个时候量子的声音和量子的规律你才能够看到。

　　最近这几年我们在做什么呢？我们经常听到一个词，叫量子调控，就是每一个粒子演奏不同的曲目，每个粒子按不同的规律自己互相去演化，这个就是一个交响乐团，能够比合唱团做更多的事情，我们在更远的距离上去调控量子，我们在更多的粒子层面上去调控量子，我想这个就是量子技术一直在发展一直在做的事情。

　　最后，科技改变生活，量子创造未来，谢谢大家！