王建宇:我和潘建伟十年磨一剑克服量子与航天难关

2017-04-17 09:11

科技潮人

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非常高兴今天有这个机会和我们潘院士、年轻的同事们一起参加这个活动，我和潘老师十年磨一剑，我们是2007年相识，就是为量子相识，今天也是为量子走到一起。我们这个实验室叫中科院空间主动光电重点实验室。刚刚潘院士已经讲了很多量子

我们再回顾一下。

量子的历史：

1900年普朗克提出量子论

1905年爱因斯坦提出狭义相对论

1915年爱因斯坦提出广义相对论

1917年爱因斯坦提出了光的受激辐射理论

现在有意思来了，爱因斯坦说过，他是对量子论持怀疑态度的，我们这颗量子卫星则是要证实量子力学的正确性，（而且证明的方式）用了老先生提出来的激光理论，用激光去证实它。

所以辩证法或者唯物主义来说，什么事都是实事求是，自己提出的东西也可以打自己。

因为今天我的题目是量子、激光和航天工程，我们来回顾一下历史。

卫星的历史

1957年，苏联人第一个发人造卫星，当时苏联是为了争第一，抢美国人的风头

1957年12月份美国也发射了本国的第一颗，美国人也很努力，但可惜失败坠落

美国很快就发了第二颗

1970年的我们中国的第一颗人造卫星也上天了，中国人跟得还是比较紧的

激光器的历史

回过来看，1960年美国人根据爱因斯坦理论造出了第一台激光器，我们中国人也不赖，1961年马上就造出来了，中国的第一个激光器，这个激光和传统的光源前面已经说了，因为它是受激的光源，它有很多特点。

一个单色性非常好，什么波长就是什么波长；第二个就是指哪打哪，我们现在一千公里，上面指下来打到哪里；和太阳光相比，它的波长比太阳要高10的10次方倍。

很快科学家把这两个特点联想到一起，激光这么好的东西我如果在天上用会怎么样？

美国人很多还是先驱者，在阿波罗登月的时候，那时候激光也有了，登月阿波罗工程还是一个伟大的工程，但是他要把这个做到天上去还是有困难的，所以他们就在天上埋了一个东西，我们叫激光反射器，地面激光打上去，照亮这个反射器，反射回来探测这个距离。1994年的时候，美国人第一次把激光装到克莱门汀的小卫星上面，拿它去探测月球。

在这之后，不断有新的成果涌现，我也非常高兴。我们中国2007年第一颗带激光的卫星上天，这颗卫星就是嫦娥一号，上面有一个激光高度计，这是我们团队做的。

1961年8月，中国第一台激光器－－＂小球照明红宝石＂激光器，在中国科学院长春光学精密机械研究所诞生了。

这个是我们2007年做的一个工作，把我们中国第一台激光高度计送上天了，画出了月亮的三维图形，当时还比较自豪地说，原来美国人做这个是个斜轨道的，所以他（月球）两边测不到，我们号称是全世界第一次测到了月球两截的一个东西。

2007年，嫦娥1号搭载激光测高仪，进行月面地形测绘。该载荷由上海技物所研制。成功完成1年绕月，获取912万高程数据点，绘制3km格网月表DEM模型，填补国际月球两极地形空白．

这里还有一个比较，这个是原来美国克莱门汀上去的一个图，我们也做了一个比它的清楚。但是很郁闷，2009年美国人又打了一个，实事求是说，他画的图比我们的清楚多了，所以一下又被人赶上了。

2009年，NASA发射月球测绘卫星，首次采用多波束方案进行激光测绘。

激光有数不清的应用

实际上激光测距的技术可以做很多事情。

1．气象

比如这个是美国人做的一个（卫星），他就可以测量各个地方冰的变化，它测出来03年到08年，北极的海冰的厚度在逐步变小，就是温室效应。

2．全球地理

美国人也非常牛，他有一个LIST计划，我们现在看到的地形的测绘都是用相机相对测量完成的，这个存储过程比较复杂。如果我们可以用激光直接测量，所以美国人在2025年要发一颗卫星，全球5米的分辨率，就是每个5米就有一个激光点，所以可以把全球的三维测得非常清楚。当然我们也在做这个工作，但是我非常遗憾地说，和它还是有差距的。

3．空气污染

激光还能测很多东西，还可以测大气，现在雾霾比较严重，国际上也是有很多人用激光来测雾霾。怎么测呢？道理说穿了也不难，激光发出后就是一颗颗光子，光子和雾霾的小颗粒发生作用，光学里叫散射，而且不同的物体对不同波长的光子的散射直径吸收都不一样，我可以利用这些数据来测量环境的变化。

2007年，上海技物所研制的激光测高仪随嫦娥一号月球卫星发射升空。

大家知道前两天公布的我们国家发的第一颗碳卫星，探测二氧化碳分布的，当然这颗卫星不是用激光，是用高光谱探测，但是国际上已经发了激光探测卫星，我们国家也在准备。

所以用激光可以测，我们叫气溶胶或者云探测，国际上面1994年就开始做了。这个叫CALIPSO，是美国发的第一颗测微粒的卫星，那么它测出什么东西呢？

2007年5月份，它测到了沙尘从中国西北地区进入北京，接着又测到了从撒哈拉沙漠到北美大陆的沙尘暴，所以说之前（沙尘暴会迁移）的推测是对的。

北京曾经有很多沙尘暴，前两天上海天也不好了，说不定就是北京前一段雾霾漂过来了，卫星确实测出了这个现象。

4．物质探测

激光还有一个很大的用处，现在我们要看宇宙，要看火星、看木星甚至更远，中国人现在总算看到月亮了，现在计划也要去看火星了。不像地球上，我拍了照片以后可以测量一下这个是什么东西？有可能多少年以后人把火星（上的物质）带回来，但是现在还是不行。所以要知道火星上面到底什么物质，激光有用。

它有一个原理叫激光诱导击穿光谱，是什么呢？激光足够强，打到一个物质上，就可以把物质气化，产生等离子体，不同的物质会发不同的等离子光，测量这个光谱就知道都是哪些物质了，这是个很重要的技术，深空探测非常有用。

美国人在11年做了一个，做得蛮成功的，所以18年准备再做一个，在火星探测时使用。美国人做了，欧洲紧紧跟上，欧洲人也在做。

这个是美国好奇号，当时探测的一个结果，它测出了着陆的地方有这么多化学元素。美国人2020年要发第二代，探测火星，中国也有这个计划，在2020年的时候，中国也要降落火星，我们的实验室非常荣幸，也要做这么一台东西在2020年发射到火星上去。

中国计划2020年向火星发射着陆探测器，搭载LIBS系统。

5．激光通信

激光还有一个非常实用的方面，我们做量子通信以后，人家说你们这个和激光通信到底什么关系？

确实有点相像，但是本质上完全不同，因为光是这么来的，我们最早用无线电，把信号载在无线电里，到收音机里把这个截出来，歌曲、讲话都能浮现出来。后来发明了电视，又把图像载到电视里面去了，那么这里有个什么区别呢？

最早的中国无线电它载波的波长很长，应该说是频率很低，波长很长，所以它能载的信息比较少，要用图像看电视这个频率就比较高了，所以你能调制进去的信号就多了。

所以像现在我们卫星向地面发信息一般都是用微波，可以达到每秒钟几百兆这个量级。现在卫星越做越复杂，信息越来越多怎么办呢？他们说光可以，光的频率比微波又要高好几个数量级。

所以现在用激光来载信息，这个是最先进的通信模式，当时科学家做了很多尝试，日本人是第一个做成的，九几年就有一个实验，有个卫星和地面通信一下，欧洲也做，目前来看欧洲人对这个比较痴迷，德国人08年做了一个实验，大概每秒钟可以载5．6G的，家里网络的带宽200M就已经很快了，它每秒钟是5．6个G，就相当于又高了好多倍。

日本人在这个问题上它是做得比较早的，但是最近一段时间停下来了。美国人也做这个，美国人后来居上，在2000年的时候做了一个激光，但是失败了，失败的原因是什么呢？天和地没对上，这个我后来会联系到我们量子卫星，其实这个对准是很难的，就是美国人他也有对不上的时候，他失败了，不过马上13年他把这个东西做到月球去了，从月球传了信息过来，从月地达到600多兆的数列，这个就是我们国际上也是第一个从其他星球用光把信息载回地球来。

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