2016年8月16日，全球首颗名为“墨子”的量子科学实验卫星成功发射，引起了世界科技界的关注。
日前，中国科学院院士、墨子执行副总设计师、卫星总指挥王建宇与我们分享了墨子完成的科学任务、背后的“黑科技”、我们应该如何探测引力波，以及未来十年中国太极计划的路线图。
王建宇，中国科学院院士、研究员、博士生导师 中国科学院院士、研究员、博士生导师王建宇
我们每天都在和光打交道，但是光在tai 空能做什么呢？
其实光学是一门很古老的科学，人们很早就开始研究它。牛顿说光是粒子，而另一位科学家惠更斯说光是波。他们吵了将近200年，谁也说服不了谁。
直到上个世纪初，爱因斯坦说:为什么一定要做这个，不要做那个，为什么两者排斥，为什么不能融合？
因此，爱因斯坦提出了光的波粒二象性:光既可以是粒子，也可以是波。这一理论提出后，为光的研究开辟了全新的天地，为量子力学的发展奠定了基础。
光是什么？ 什么是光？
在现实世界中，大家对二进制算法都很熟悉，0是0，1是1，但在量子世界中却不是这样。在量子世界中，一个事物可以是0也可以是1，但它是0还是1是根据概率来计算的。
在量子世界中，量子粒子在哪里？不测就不知道。如果你测量它，你可以知道它是0还是1。但是科学家补充说，一旦被测量，这个东西就不是原来的东西了，它会坍缩成经典状态。我们听的时候觉得很神秘也就不足为奇了；创立量子力学的科学家玻尔也说过:谁不被量子力学迷惑，谁就不会真正理解量子力学。
那么，量子力学中有什么？
一个是波粒二象性，既是波又是粒子；
量子力学中还有一个测不准原理。比如你测量一个粒子，一旦你测量到它非常精确的位置，它的速度就会完全不准确，两者相乘的误差就是一个常数。
量子与量子叠加 量子和量子叠加
如今，科学家不仅要了解量子力学的两个特性，还要利用它做很多事情。
空量子科学实验
首先用光做的是量子科学实验卫星墨子号。墨子号于2016年8月16日发射升空，也是世界上第一个在Tai 空进行的量子科学实验。
墨子号在空的传输过程中应该会产生一个无法破译的密码。因为光的光子是一个一个的，密码发下来后，接收器得到了，但是窃听者得不到，所以是安全的。
但是，如果窃听者把所有的光子都拿走，复制下来以后再转发，窃听也能完成吗？
事实上，根据量子力学的原理，一旦量子被测量，它就不是原来的状态。一般来说，测量副本的量子必须与原始副本有一定的比例不同。
因此，有了这两个原则，我们就可以保证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 量子密钥分发的安全性
这是墨子的第一个任务:把量子密钥从天上送到地上。我们成功分发了星地的量子密钥，最终结果发表在2017年8月的《自然》杂志上。
星地量子秘钥分发 星地量子密钥分发
第二件事可能更神秘。我之前说过，不测量粒子A和B，就不知道它们的存在。然而，另一位科学家提出了一个非常奇怪的理论:在特定情况下，粒子A和粒子B相当于双胞胎，测量其中一个后，就可以确定另一个的状态。
这个理论似乎与量子力学的测不准原理相矛盾。
事实上，即使是爱因斯坦和其他发明量子力学的人也想知道量子力学的理论是否有问题。因此，我们一直在寻找答案，这种现象是否存在。
星地双向纠缠分发的实验 星地双向纠缠分布实验
所谓相对论局域化认为测量一个粒子不会影响另一个粒子；量子力学的非局域性认为，测量一个粒子可能会瞬间改变另一个粒子。
在上个世纪，爱因斯坦和玻尔两位物理学家也就这个问题争论了很久。物理学家更喜欢争吵，但这种争吵有利于科学的发展。
爱因斯坦与玻尔 爱因斯坦和玻尔
后来证实这种现象在地面近距离存在。但物理学关注的是，测量10公里的存在并不等于11公里的存在，那么宇宙中是否存在这种现象呢？
我们做了一个墨子的试验，当年试验结束后，对国际社会产生了很大的影响。我们证明了1200公里的纠缠是存在的。
有人说，如果你登上这颗卫星，如果它被证明是错误的，你该怎么办？
当时我也问过潘建伟院士这个问题，他问我:“你有信心说你的设备一定是正确的吗？如果是正确的，就大于证明是正确的，也就是说，我们在理论上还有另一种可能，纠缠现象超出多少距离是不存在的。”
但现在它只是证明它仍然存在。
1200公里纠缠分发 1200公里纠缠分布
刚才我们说量子力学很奇怪，复制后会错，但是如果一个世界不能复制，就和其他地方分开了，这个世界就没用了。
因此，科学家认为，在量子世界中，一定有自己的信息传递方式。上世纪末，有人提出如果这种纠缠存在，就可以用来传输量子信息，这就是所谓的量子隐形传态。
这样的瞬移在宇宙中能存在吗？你能通过纠缠传递这个信息吗？这是我们要做的第三个实验。
我们首先使用一堆纠缠在一起的堆与另一个粒子相互作用。因为A和B之间的纠缠，然后和X互动，它的信息会自动去B，然后把B送到另一个地方。通过另一个逆变换，我可以完整地复制这个X。
但是，我们要知道，原来的X，在量子世界中行动之后，已经不在了，但是它所有的信息都被传播出去了。这是我们的第三个实验。
地-星量子隐形传态实验 地球-卫星量子隐形传态实验
这个实验完成后，在国际上也产生了很大的影响，因为量子科学实验卫星是中国提出来的，中国是第一个做的。
欧盟的战略布局 欧盟战略布局
这个实验极大地促进了国际量子信息的发展。美国在2017年10月举行了一次特别听证会。特朗普说:美国不能容忍在量子竞争中落后于人。我们的努力不仅给中国科学家带来了好消息，也给世界其他国家的科学家带来了好消息。
我们取得这个成绩已经三年了。量子卫星还在天上工作，科学家也在做很多新的实验，那么接下来我们该怎么做呢？我们必须做两件事。
第一件事:把科学变成生产力。我们正在计划建造一个小型卫星网络，这样量子密钥就可以用于我们的国家安全领域。
第二件事:我们必须继续攀登高峰。
目前墨子有两条曲线，一条在低轨道，因为低轨道绕地球运行，每天经过的时间非常有限。作为一颗通信卫星，是有局限性的，所以我们需要把轨道提升到1万公里的量级。
第二，我们只能在晚上做实验，而不能在白天做，因为我们要探测里面非常小的光子，而且我们非常害怕干扰，所以我们要解决干扰的问题。
我们将建造一颗全天候在高轨道工作的量子卫星。我们想通过一个个光子的使用，为人类创造一个量子世界。
空间量子通信的发展趋势 空之间量子通信的发展趋势
引力波探测
物理学家预测，世界上有四种力，其中一种是电磁波、强核力和弱核力，我们都直接观测到了，但只有引力波没有观测到。说到这个，我们应该提到爱因斯坦。他真的很棒。他不仅有许多发现，还预言了引力波。
直到2016年，美国制造了一个LIGO系统，它看到在某个地方，恒星合并了，然后引力波回来了。
从预言到发现引力波 从预言到引力波的发现
引力波有什么用？
有一种科学说法，BIGBANG之后，70%的能量是暗能量，你现在还没有看到。在其他30%的物质中，只有15%是你看到的，85%被称为暗物质。暗物质，暗能量，一直是人类的难题。
一些科学家曾经预言，如果我们看引力波，我们可以看电磁力，所有这些东西都可能是可见的。它将产生非常非常大的影响。
人类对量子宇宙物理的认知 人类对量子宇宙物理的认知
引力波和光学有什么关系？
引力波的测量原理是什么？
根据爱因斯坦广义相对论，引力波会压缩空，这意味着显然是这么长的时间，引力波可能会被压扁或拉长；这里的展平和拉伸实际发生的时候非常非常小，是皮米量级，也就是负12次方量级，所以我们应该希望这个东西能在一个地方测量出来，然后才能看到引力波。
引力波探测原理 引力波探测原理
有些人可能会有疑问。引力波已经在地面上测量过了。为什么要去天上量呢？
因为引力波和电磁波一样，有不同的频段，而且地面距离比较短，我们看到的只是引力波中很小的一部分，更多的必须在很大的距离才能看到。因此，科学院在过去的一年里开发了“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 太极一号的主要成果
人类要真正探测到引力波，还有很长的路要走。
目前，我们的激光干涉仪可以测量100皮米的精度，并且可以测量一个原子大小的距离变化。
然而，测得的引力波应该精确到几皮米到十几皮米的数量级。
在Tai 空中，所谓的距离必须是一个标准。我们在那里放两个重力块，观察重力块的变化。但是如果外面有一点力，它就会按照牛顿力学定理改变；如果不让它改变，就必须测量它的加速度；我们现在可以测量的加速度，相当于一只蚂蚁推动太极一号卫星产生的加速度。
现在我们测到了负九次方十，待测的引力波大约还差六个数量级。
此外，当引力块在天空中飞行空时，它的位置可能会在太阳一照射的时候就发生变化，所以当我们检测到这种变化时，就必须把它调回来，这就是所谓的微推力。
微推力应该精确到什么程度？是芝麻重量的万分之一。我们可以达到十分之几微牛的推力来调整我们上面的两个质量。
我们未来要做的是测量10的负15次方的加速度。
未来，我们将围绕太阳建立一个等边三角形。这个等边三角形的边长是250万到300万公里。也就是说，在这个距离以下，我们需要知道它变化了几皮米，只有这样，我们才能真正探测到引力波。
空间太极计划-引力波探测星组 空太极图——引力波探测星群
在太阳轨道上，可以避免地球重力梯度噪声的影响，进而将探测器的温度变化控制在百万分之一。这些测量非常极端。
现在，我们计划的进展与欧洲同步。欧洲最早提出这个计划，但是经过两年的努力，我们基本上已经追平了。
空间太极计划路线图 空太极计划路线图
从2020年到2025年，我们希望成为“太极二号”，以验证我们已经完全满足测量能力。
从2025年到2033年，我们希望真正制造一颗卫星来测量天空中的引力波。
“院士谈”是由上海市人才工作协调小组办公室、上海市科技工作党委、上海市教育卫生工作党委联合主办的系列讲座活动，每场由一个单位承办。
院士谈定期邀请中国科学院院士、中国工程院院士进行专题讲座，旨在为广大公众普及最前沿的科学知识，展示卓越的科学家精神。
