量子激光雷达：俯瞰全球中高层大气的“眼睛”

量子激光雷达：

俯瞰全球中高层大气的“眼睛”

主讲嘉宾：武汉大学校长 中国科学院院士 窦贤康

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从激光雷达到量子激光雷达的跨越

工作人员：这边是一个新机理的实验。大起来它要复杂得多，我们用到了声波、电光、调制，然后这样我们要比对手又要降五十倍的功率，我们要实现一样的高信噪比的探测。

窦贤康：欧洲在上个世纪末，提出了著名的“风神计划”，把激光雷达放到卫星上进行全球风场的测量。要进行全球风场的测量，就必须要通过卫星来做，欧洲这个计划成形的时间已经非常长。大概是90年代末提出来的这样一套系统，提出到今天，这个计划已经被推迟发射好几次，它的原因在哪？因为既然从高空往底下来进行探测，就需要比较强的激光，激光能量越来越大的时候，往往会把光路里面的某一个镜片烧坏。在这样的过程里，激光雷达在地面很容易做，烧坏了拧下来换一个就可以重新开始工作了。但是卫星上不行，因为上面没有人，没有办法更换器件。

如何在大功率条件下，实现稳定地、长期地观测，就变成是一个难题。这样前提下我们有另一个办法，发展出来一套系统，叫量子激光雷达，这也是我个人做到今天的科研工作里最得意的一件事情。

【外景】

学生：校长，您好，我有一个问题，就是量子激光雷达跟传统雷达原理上有什么不同，它有什么比较显著的优点吗？

窦贤康：传统激光雷达，要通过提高能量和提高接收望远镜的面积来实现，但量子激光好在哪？我通过单光子的操作，可以降低它的噪声水平和提高它的工作效率。实现过去传统上通过能量提高和望远镜口径提高，来实现性能上的提高。后面我们通过超导的办法，能够把它非常弱小的信号检测出来，我们的提取和检测都基本上做到极致，这就是基本上目前技术条件下，我们能想象出来的激光雷达极限。

【提问】

学生：您好，刚才您提到量子激光雷达是探测中高层大气的利刃，您认为我们国家大概什么时候能够完成星载激光雷达？

窦贤康：量子技术最突出的优点，有比较高的探测效率，这也是将来能够上星非常重要的步骤，现在通过科学院的“鸿鹄计划”，先把它放到球载技术上做。

【新闻 道】

中国科学院A类战略性先导科技专项“临近空间科学实验系统”（简称“鸿鹄专项”）日前启动。鸿鹄专项将突破一系列关键技术，建成我国首个临近空间科学实验系统。

窦贤康：球载做完以后把它安全性、可靠性、稳定性验证完之后，我有一个梦想，这辈子能在科技上干成的最后一件事情，希望能把中国的星载测风激光雷达做出来。

下篇

中国核心技术上的突破靠什么？

【导视】

把我们的科技成果能够转换成推动中国经济的发展，解决中国实际问题的方法。

如果你的核心技术不掌握，那是非常危险的。

要靠我们中国的青年学者、科技人员的努力，才能走在世界的前列。

窦贤康：大家好，欢迎来到《大学》。

量子激光雷达的创新

下面简单跟大家介绍一下量子激光雷达的原理。

这是一个著名的激光雷达的方程，原理要讲清楚比较容易。你要实现一个高的时间和空间分辨率测量的时候，唯一的办法是做两件事，一是不断地提高激光器的能量，二是不断提高接收望远镜的口径。这个是很难做到的，地面可以，但是在卫星上很难做到更大。而且能量过高，它的光路会经常损坏，使得你星载的激光雷达很难运行。这就是为什么国际上星载激光雷达迟迟上不了天的主要原因。

当时我们研究方程的时候在想，后面几项没有办法变，就是大气的衰减，怎么办呢？提出量子激光雷达的初衷很简单。过去只是把能量和望远镜面积提高，来提高雷达的性能。现在还有两个因子，一个是量子效率，还有一个光子的能量。当时提出一个方案，把红外的光打出去，波长长，回来以后光很难探测，利用上转换技术，把它从红外的波段，转换到可见光的波段。转换过程里，一方面相当于把大气太阳的背景抑制掉，同时把它的光换成量子效率很高的光来进行探测。打一个比方，一个乒乓球很轻，外面包一个很重的铁皮扔过去，它的可探测性就会变得非常之好。

原理是红色部分发出一个光，经过上转换技术，转换到蓝点，转换之后，它的暗噪声和量子效益同步提高，可以比传统的激光雷达信噪比提高1800倍，这是一个大幅度地提高。做同样一个设备，用量子技术，和原来的传统雷达比，激光器能量可以变成原来的1/10，望远镜口径可以变成原来的1/10，进行星载就变得格外地容易了。这是量子激光雷达的原理。

一个激光雷达好坏的差别，就看在同样的距离下，谁发出的光子多、谁的信号强。我们这一套设备既有比较好的性能，同时又有比较低的噪声。

【外景】

窦贤康：从一百公里到一千公里的地方，现在大气的中性气体探测，国际上没有手段，但是在这个地区电子的、电离成分的探测是有手段的。我觉得这个我们要花点时间把它搞清楚。

激光雷达的应用

窦贤康：激光雷达民用的实施，当时在合肥测企业的排放，利用原来的激光雷达，过去可以测2公里多，现在可以测8公里，它的意义在哪？比如用传统技术在武汉需要布100台，用我们的新技术只用布10台，任何一个探测技术的进步，就可以带来应用的快速发展。

量子激光雷达前景

量子激光雷达以后前景非常大，比如它能够进行各种大气要素的探测。在科学院“鸿鹄计划”里，希望把我这一套设备放到临近空间里面去，进行环境测试、稳定性测试之后，下一步把它搞到卫星上去，尽快把中国的星载测风激光雷达送上天。

【外景】

窦贤康：实际上就实现了每十个纳秒就完成一次粒子或者是目标的探测。

【提问】

学生：窦校长，你好！作为一个学科前沿的开拓者和一位投身于一线数十年的科技人员，您认为一个科学家的重要的品质是什么？

窦贤康：作为一个科学家最重要的品质，应该是足够敏锐，具备对于前沿科技问题的把握能力。可能听起来比较枯燥，确实反映了科学家最重要的品质。牛顿被苹果砸到，后来搞出万有引力定律，这就是科学家非常敏锐的方面。包括爱因斯坦提出相对论的时候，在诺伦兹变换里面发现有一些量不守恒了，他就敏锐发现时间和空间的统一。作为科学家而言，对前沿科学的洞悉力很关键。中国是经历了从落后到发展的国家，又是一个大国。有敏锐的科学精神，要有严谨作风，这都是科学家最本质的属性。

一个知识分子首先要把科研做好

窦贤康：我们这一代人是改革开放之后走出去的中国留学生。作为一个知识分子的责任，首先要把科研做好，作为科学家或者作为老师要把课上好。

有一张照片，伊藤博文和李鸿章谈中日马关条约，这个时候日本人很得意，能够把这么大的国家打败。他跟李鸿章讲，中国很大，但是被我们打败了。

【外景】

所以李鸿章也很无奈，说中国虽然地大物博、人口众多，但是人才很少。我想在清朝那个时候，作为一个谈判官员，我相信他心里也是很悲凉的，那时候他也体会到了人才对一个国家的极端重要性。

窦贤康：老一代的科学家，像郭永怀、钱学森、邓稼先27个人回来搞出了“两弹一星”，那个时候的待遇和现在差别千百倍。随着“两弹一星”事业的发展，为中华民族的不断发展提供了保障。

【习近平总书记同期声】

现在在这些核心技术、关键技术、国之重器，必须立足于自己。过去我们不得不自力更生，但是那个时候我们勒紧裤腰带，咬紧牙关我们还创造了“两弹一星”。

————2018年4月24日至28日，习近平在湖北考察

窦贤康：郭永怀是一个力学专家，和钱学森一同回国，27个人搞成了中国“两弹一星”的事业。这是一个非常清瘦的人，但是却是伟大的科学家。做了核实验之后，把数据送到北京，和他的警卫员坐飞机返回北京，到北京机场附近的时候坠落了，英勇地牺牲了。大家发现他和警卫员紧紧抱在一起，分开的时候他们胸前的数据公文包还没有烧坏，数据本子还是好的，他是一个伟大的科学家。他的太太叫李佩，曾经是中国科技大学的外语系老师，“两弹一星”勋章颁发以后，李佩就把他的勋章转交给中国科技大学，现在还放在科大的校史馆。

出国留学后毅然回国建设祖国

我们是80年代末出国的一代人。90年代初，我去北京的时候没有高速，还要坐很旧的公共汽车跑到机场去。当时北京机场没几架飞机，而巴黎机场非常繁忙，反差非常大。当时我们就在想怎么样通过自己的学习，帮助国家走向更加富强。我们是80年代末出国的一代人，在90年代中期回到国内来，当时有一个朴素的感觉，国家发展需要人才，希望自己回来以后，干一些事情。回顾走过的近30年，我们这一代人，确实参与了国家进程的各方面。在人生过程中会发现，除了满足个人的利益以外你会活得更有价值。

【外景】

窦贤康：中国经济要转型，国家要变成一个社会主义现代化强国，必然要推动创新。创新要靠人，中国一些青年人才被不断地培养出来，还有不断的海外人才回国工作，人才的文化土壤已经有了，我想中国会在创新方面迈上更大的台阶。

核心技术靠化缘是要不来的

窦贤康：这么多年随着中国的技术进步，中国的国力不断增强，中国的发展速度非常快。

Natuer Index挑出来几十种期刊，都是各领域最好的期刊，这些领域发文的数量，至少反映这个大学和研究机构研究问题的前沿程度和活跃度。全世界前50名的高校，中国已经有8个。这从一个侧面反映了中国科技和经济的发展。

我们重视成绩的时候，也必须看到差距。向世界第一迈进的时候，核心技术非常关键，核心技术要靠中国的科技人员把它搞出来。怎么把它搞出来？需要在大学阶段，把它学进去，用到的地方，物理概念和电路问题搞得很清楚，不能光靠下决心，这个时候要承担起来中国在核心技术上的突破，靠你们年轻这一代。

【提问】

学生：做一个课题需要很久时间，会遇到很多困难，有时候就会想到要放弃。是靠什么信念支撑自己，去完成自己的课题，进一步提升自己的能力？

窦贤康：这个问题非常好，作为一个科学家而言，往往能够沉得下气坐冷板凳。人都会遇到困难，我做激光雷达的时候，曾经有一段时间出不了信号，也会有焦虑。作为一个青年科学家要知道，往往最难的事情应该沉得住气去长期坚守。在研究过程中，不管遇到什么困难，冷静思考一下，往往困难越多，你把困难解决掉，你取得的成就就越大。

窦贤康：三代中国人有三代中国人的责任，钱学森那一代人发明了“两弹一星”，为中华民族的发展奠定坚实的基本保障。我们这一代人是从80年代改革开放以后成长起来的一代人，参与了中国改革开放事业，使中国已经走向了社会主义现代化的强国道路，我们富起来了。随着你们的不断努力，一定能把中国建得更加强大。

【外景】

窦贤康：武大是1893年建校，当时叫自强学堂。在抗战的时候，在西迁过程中，虽然那时候很艰苦，但是大家还是比较有民族责任感的。我觉得武大的精神就是“自强弘毅，求是拓新”。一百多年来，秉承一贯的价值追求和理念。

现在要扎根中国大地办大学，这个阶段我们在做好自然科学研究，做好基础研究的同时，就是我们在力所能及的范围内，能够把我们的科技成果，转换成能够推动中国的经济发展，解决中国实际问题。

【精彩回顾】

中国要变成一个社会主义现代化强国必然要推动创新。

我自己有个梦想，尽快把中国的星载测风激光雷达送上天。

任何探测技术上的巨大进步，就会带来运用的快速发展。

我们这代人，这时候就要承担起来中国在核心技术上的突破。

随着你们的不断努力，一定能够把中国建设得更加强大。