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世界首颗量子科学实验卫星“墨子号 ”是怎样炼成的

时间:2016-08-16 07:29:30

  左图 星罩组合体在酒泉卫星发射中心实施吊装,与运载火箭对接。新华社发。右上图 长征二号丁运载火箭成功将“墨子号”发射升空。本报记者 佘惠敏摄

  2016年8月16日1时40分,我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空。这将使我国在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信,构建天地一体化的量子保密通信与科学实验体系。

  为了这一天,中国的量子物理学家们,已经准备了10多年。

  量子通信可以从根本上解决国防、金融、政务等多领域的信息安全问题,一直得到国际上的高度重视,各国间竞争非常激烈。“墨子号”的成功研制,不仅是中国量子保密通信领域“杀手锏”技术研发的重大突破,也是世界量子通信技术的重要创新,它有望使人类科技发展史上“最安全的通信手段”具备覆盖全球的能力。

  神器“墨子号”是怎样炼成的?请看《经济日报》记者从“墨子号”飞升的地方——酒泉卫星发射中心发回的报道。

  科学家的梦想:

  把量子实验室搬上太空

  说起中国的量子通信,有一个必须提到的名字——潘建伟。

  这位1970年出生的量子物理学家,41岁当选中国“最年轻院士”,42岁获得国际量子通信大奖,45岁成为国家自然科学奖一等奖最年轻的第一完成人。现在,作为首席科学家,他领衔研制的世界首颗量子科学实验卫星已经飞上太空。

  “把量子实验室搬上太空的梦想,10多年前就已经开始。”中国科学技术大学教授、量子卫星首席科学家潘建伟告诉记者。

  “量子物理正迎来一场新的革命,我们开始对量子进行精确调控,其意义就像生物学从豌豆遗传规律发展到基因双螺旋结构。”潘建伟说,自上世纪末以来,人类对自然界的能量最小单位“量子”的理解,开始突破往昔瓶颈。

  在这场量子学革命的科学竞赛中,很多个世界首次均来自于潘建伟领衔的“中国队”。在国际上首次实现安全通信距离超过100公里的光纤量子密钥分发、实现国际上首个全通型量子通信网络、建成首个规模化量子通信网络……“这标志着中国在量子通信领域的崛起,从10年前不起眼的国家发展为现在的世界劲旅,将领先于欧洲和北美。”国际权威期刊《自然》杂志曾如此感叹。

  量子通信的安全性基于量子物理的基本原理。作为光的最小粒子,每个光量子在传输信息的时候具有不可分割和不可被精确复制两大特性,使得存在窃听就一定会被发送者察觉并规避,从而保证了信息的安全。

  “量子通信要真正实用化必须远距离,但光子在光纤中随着传输距离的增长,损耗越来越大。”潘建伟说,即使存在超出目前技术水平的10G赫兹理想单光子源和100%探测效率的理想单光子探测器,在1000公里光纤中进行点对点量子通信,每300年也只能传输一个比特。“而用上卫星中转,现有技术就能1秒传送100K,随着技术进步,将来1M、10M都有可能。”

  早在2003年,他就想到,为了真正实现远距离量子通信,可以考虑用卫星。在这一背景下,2005年,潘建伟团队实现了13公里自由空间量子纠缠和密钥分发实验,证实光子穿透大气层后,其量子态能够有效保持,从而初步验证了星地量子通信的可行性。

  2007年起,潘建伟团队与中国科学院上海技术物理研究所、上海微小卫星工程中心、中国科学院光电技术研究所等研究机构强强联手,发展了一系列自由空间量子通信的关键技术,先后实现了百公里级自由空间量子通信、星地量子通信的全方位地面验证等重要实验,充分验证星地量子通信的可行性。2011年底,作为中国科学院空间科学先导专项首批科学实验卫星中的一员,量子科学实验卫星项目正式立项。

  “针尖”对“麦芒”:

  挑战世界上最高的难度

  “工程师的任务是技术实现,要把科学家的梦想变成现实。”量子卫星工程常务副总师兼卫星总指挥王建宇说。

  量子科学实验卫星是我国自主研发的星地量子通信设备,突破了一系列高精尖技术,包括“针尖对麦芒”的星地光路对准,偏振态保持与星地基矢校正,量子光源载荷等关键技术。

  王建宇从2007年就开始加入量子卫星的研究。他是中科院上海分院副院长,原中科院上海技术物理研究所所长,作为光学遥感系统专家,他的团队与潘建伟团队合作,在辽阔美丽的青海湖畔实现了百公里级自由空间量子通信。

  在2007年至2010年的关键技术攻关阶段,研究团队将量子密钥产生的地方放在青海湖湖心岛海心山上,从中间向两边分发。海心山无人居住,队员们睡着帐篷,还要打死一批批前赴后继的蛾子,它们甚至会飞进设备里。有个女研究生,从看见蛾子就害怕,到变成一边做实验一边面不改色把蛾子一只只拍死的“杀手”。2009年时他们还曾经遭遇过一次翻车事故,主设备被摔成三截,年轻的队员们毫不气馁,在现场把所有设备修好,坚持把实验做完。

  2011年卫星正式立项后,更高的难度挑战开始了。

  “以前做卫星,多少能找到参考。但这个量子卫星的工作,是国际首次,完全没有参考。”王建宇认为,最困难的环节就是天地一体化联通。

  按潘建伟等科学家的实验设计要求,“墨子号”可不仅仅是天上的那颗卫星,它还包括地面系统:1个中心——合肥量子科学实验中心,4个站——南山、德令哈、兴隆、丽江量子通信地面站,1个平台——阿里量子隐形传态实验平台。卫星和地面站之间,要做到最高精度的瞄准,和最灵敏的探测。

  光量子非常小,它是光的最小单位,必须有极为灵敏的探测器,探测、分辨和收发一个个的光子;同时它又非常多,“墨子号”卫星每秒能分发1亿光子;它们还姿态万千,形成不同的量子编码,我们不仅要收到光子,还要完美检测每个光子的偏振状态,检测其正负、垂直、水平等各种状态……

  王建宇打了个比方:如果把光量子看成一个个1元硬币,星地实验就相当于要从万米高空飞行的飞机上,不断把上亿个硬币一个个投入地面上一个不断旋转的储钱罐里(偏振测量的基矢在变化),不但要求硬币击中储钱罐(瞄准精度),而且要求硬币准确射入罐子上细长的投币口(偏振保持)。

  为了让穿越大气层后光子的“针尖”仍能对上接收站的“麦芒”,王建宇团队与潘建伟团队一道,从2012年起开始进行各种实验——收发距离40公里的转台实验,要与卫星绕地运行的角速度一致;30公里距离的车载高速运动实验,要考验超远距离“移动瞄靶”能力;热气球浮空平台实验,在空地环境下模拟量子密钥分发……

  这么困难的“针尖”对“麦芒”,其关键技术最终被一一攻破,在十几个研究所的几百位科研人员的倾情投入中,卫星的初样完成了。“目前的技术,相当于从地球上,看清木星卫星上的汽车牌照号码。”潘建伟得意地说。

  “墨子号”的未来:

  量子互联网的奠基之星

  然而他们遇到的考验并没有结束。在卫星初样完成后,研究人员把卫星的关键设备——单光子探测器送去欧洲做质子加速器辐照测试,却发现此前地面实验中,对太空高能粒子的破坏性估计不足。按原本预计发射的600公里轨道的太空高能粒子辐射量,单光子探测器仅坚持了一个星期就缺陷增多到无法使用的地步。

  研究团队紧急行动起来,三管齐下,终于解决了这个意料之外的严重问题。一是将卫星轨道从600公里降至500公里,这可降低一半辐射。二是增加探测器屏蔽厚度,这也是一个辅助措施。解决问题的关键是第三个措施,市面上现有的单光子探测器都无法满足空间的高辐射环境要求,于是实验团队经过艰苦攻关,终于做出了降低单光子探测器工作温度的宇航级探测器。

  新的探测器经过了检验。“墨子号”量子卫星终于飞上太空,在500公里太阳同步轨道上亮相。它的质量约640千克,设计在轨运行寿命2年。

  在这两年间,“墨子号”将完成两大主要任务:在国际上率先实现高速的星地量子通信,为量子的全球互联网奠定基石;对量子物理基本问题进行空间尺度的检验,这会帮助科学家们加深对量子物理自身的理解。

  这样的“神器”已经吸引了各国的量子物理学家,欧洲美洲的量子物理学家们纷纷求合作。

  “‘墨子号’将先由中国科学家做出第一批实验成果,一年后再开始跟欧洲合作,进行世界范围量子通信组网。”潘建伟透露,目前奥地利等国已和我们签订合作协议,加拿大也正与我国洽谈合作事宜。

  “墨子号”只是量子卫星的先驱,它的成功与否关系着一个更庞大计划的进程。

  我们还将发射功能更好、数量更多的量子卫星,它们将组成量子卫星的星座。就像目前的北斗星座为人们提供导航服务一样,未来的量子卫星星座,会将量子保密通信技术普及到个人。那时,你再也不必担心自己的网络账号被窃取、银行卡资金被盗转了。

  “单颗低轨卫星无法覆盖全球,同时由于强烈的太阳光背景,目前的星地量子通信只能在地影区也就是深夜进行,不能全时通信。要实现高效的全球化量子通信,还需要形成一个卫星的网络。”潘建伟说,继“量子科学实验卫星”项目之后,团队还将计划开展空间站“量子调控与光传输研究”项目。该项目将研究星间量子通信技术、全天时量子通信技术等,同时进行量子密钥组网应用、多种技术体制的空间激光通信验证、量子密钥分发与激光通信复合的加密信息传输系统等应用研究,为下一步的卫星组网奠定技术基础。

  “如果进展顺利,有希望到2030年左右,建成全球化的广域量子通信网络。”潘建伟说,“随着中国科技的迅猛发展,我相信量子通信将在不到10年的时间里辐射千家万户。期盼在我有生之年,能亲眼目睹以量子计算为终端、以量子通信为安全保障的量子互联网的诞生。我相信中国科学家们做得到。”

来源: 经济日报  作者:
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