“四種武器”挑戰(zhàn)四大實(shí)驗(yàn)任務(wù)

　　目前，國(guó)際上還沒(méi)有一個(gè)國(guó)家將量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)送入空間，量子衛(wèi)星的研制沒(méi)有任何經(jīng)驗(yàn)可循，過(guò)程充滿了困難和挑戰(zhàn)。

　　科學(xué)家在量子衛(wèi)星上搭載了自主研發(fā)的“四種武器”：量子密鑰通信機(jī)、量子糾纏發(fā)射機(jī)、量子糾纏源和量子試驗(yàn)控制與處理機(jī)。

　　同時(shí)，在地面建設(shè)了科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)，包括1個(gè)中心——合肥量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心；4個(gè)站——南山、德令哈、興隆、麗江量子通信地面站；1個(gè)平臺(tái)——阿里量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

　　衛(wèi)星與地面站共同構(gòu)成天地一體化量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在兩年的設(shè)計(jì)壽命期間將進(jìn)行四大實(shí)驗(yàn)任務(wù)——星地高速量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)、廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)、星地量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)、地星量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)。

　　潘建偉介紹，實(shí)驗(yàn)大致分為三類：第一類是進(jìn)行衛(wèi)星和地面之間的量子密鑰分發(fā)，實(shí)現(xiàn)天地之間的安全通信，如果4個(gè)地面站任何兩兩之間都可以實(shí)現(xiàn)安全的通訊，即可實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)；第二類相當(dāng)于把量子實(shí)驗(yàn)室搬到太空，在空間尺度檢驗(yàn)量子理論；第三類是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和地面千公里量級(jí)的量子態(tài)隱形傳輸。

　　天地量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)非常復(fù)雜，對(duì)天地實(shí)驗(yàn)設(shè)備的要求也異乎尋常的高。潘建偉坦言，衛(wèi)星研制過(guò)程中，最困難的環(huán)節(jié)就是有效載荷，“攻克了許多技術(shù)難題才拿下”。

　　比如量子糾纏源，它只有機(jī)頂盒的大小，作用卻非常關(guān)鍵，它能夠產(chǎn)生糾纏光，這是量子衛(wèi)星在空中做各種實(shí)驗(yàn)的源頭。平時(shí)實(shí)驗(yàn)室里糾纏源的體積非常巨大，研究人員不僅把它做到了小型化，還通過(guò)一系列的創(chuàng)新讓它實(shí)現(xiàn)了滿足空間環(huán)境要求，在國(guó)際上是首次實(shí)現(xiàn)。

　　量子衛(wèi)星對(duì)精準(zhǔn)控制的要求也前所未有的高。量子衛(wèi)星系統(tǒng)總師朱振才介紹，量子衛(wèi)星飛行中，攜帶的兩個(gè)激光器要分別瞄準(zhǔn)兩個(gè)相距上千公里的地面站，向左向右同時(shí)傳輸量子密鑰，且衛(wèi)星上的光軸和地面望遠(yuǎn)鏡的光軸要始終精確對(duì)準(zhǔn)，就好比衛(wèi)星上的“針尖”對(duì)地面上的“麥芒”。

　　科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了各種實(shí)驗(yàn)，考驗(yàn)超遠(yuǎn)距離“移動(dòng)瞄靶”能力，最終突破了星地光路對(duì)準(zhǔn)等關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)平臺(tái)和載荷兩級(jí)控制的方式，對(duì)準(zhǔn)精度可以達(dá)到普通衛(wèi)星的10倍。

　　“激光器一站對(duì)一站有人做過(guò)，但一顆衛(wèi)星對(duì)準(zhǔn)兩個(gè)地面站國(guó)際上還從來(lái)沒(méi)有過(guò)。如果成功的話，在國(guó)際上也是首次實(shí)現(xiàn)這么高精度的跟蹤和地面站配合。”中科院國(guó)家空間科學(xué)中心主任吳季說(shuō)。

　　“量子星群”引領(lǐng)量子互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代

　　此刻，量子衛(wèi)星已在太空軌道上翱翔。而它最初的構(gòu)想，始于十幾年前。

　　2001年，31歲的潘建偉從歐洲回國(guó)，在中科大組建了量子信息實(shí)驗(yàn)室。2003年，當(dāng)大多數(shù)人仍致力于在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部的原理性演示時(shí)，潘建偉和同事們已經(jīng)萌生了“天地一體化”量子通信網(wǎng)的初步構(gòu)想，“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”正是這個(gè)構(gòu)想中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。

　　“工欲善其事，必先利其器”。圍繞這一遠(yuǎn)景目標(biāo)，潘建偉團(tuán)隊(duì)開始了十余年的技術(shù)積累。他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在自由空間量子密鑰分發(fā)、量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)等方面不斷取得國(guó)際領(lǐng)先的突破性成果。

　　2005年，潘建偉團(tuán)隊(duì)在世界上第一次實(shí)現(xiàn)13公里自由空間量子通信實(shí)驗(yàn)，證實(shí)光子穿透大氣層后，其量子態(tài)能夠有效保持，從而驗(yàn)證了星地量子通信的可行性。

　　隨后，他們又不斷創(chuàng)造“傳奇”：16公里自由空間量子隱形傳態(tài)、百公里級(jí)自由空間量子通信、星地量子通信的全方位地面驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)……為星地量子通信打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

　　經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展，中國(guó)在量子通信領(lǐng)域已成為名副其實(shí)的世界勁旅。而這十多年間，從構(gòu)想、攻關(guān)、立項(xiàng)到突破，人類歷史上第一顆量子通信衛(wèi)星終成現(xiàn)實(shí)。

　　潘建偉說(shuō)，“墨子號(hào)”發(fā)射以后，如果效果達(dá)到預(yù)期，下一步還計(jì)劃發(fā)射“墨子二號(hào)”“墨子三號(hào)”。“單顆低軌衛(wèi)星無(wú)法覆蓋全球，同時(shí)由于強(qiáng)烈的太陽(yáng)光背景，目前的星地量子通信只能在夜間進(jìn)行。要實(shí)現(xiàn)高效的全球化量子通信，還需要形成一個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。”

　　未來(lái)，一個(gè)由幾十顆量子衛(wèi)星組成的“璀璨星群”，將與地面量子通信干線“攜手”，支撐起“天地一體”的量子通信網(wǎng)。

　　到2030年左右，中國(guó)力爭(zhēng)率先建成全球化的廣域量子保密通信網(wǎng)絡(luò)。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建信息充分安全的“量子互聯(lián)網(wǎng)”，形成完整的量子通信產(chǎn)業(yè)鏈和下一代國(guó)家主權(quán)信息安全生態(tài)系統(tǒng)。

　　“安全的通信是屬于我們的，但是科學(xué)研究是面向全世界開放的。”潘建偉透露，第一個(gè)開放的項(xiàng)目是與奧地利科學(xué)院合作，實(shí)現(xiàn)北京和維也納之間的洲際量子保密通訊，之后將和更多國(guó)家合作開展量子信息技術(shù)方面的研究。

　　繼量子衛(wèi)星之后，潘建偉團(tuán)隊(duì)還計(jì)劃開展空間站“量子調(diào)控與光傳輸研究”項(xiàng)目，研究星間量子通信技術(shù)等，同時(shí)進(jìn)行量子密鑰組網(wǎng)應(yīng)用等研究，為下一步衛(wèi)星組網(wǎng)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

　　“隨著中國(guó)科技的迅猛發(fā)展，我相信量子通信將在10年左右時(shí)間輻射千家萬(wàn)戶。期盼在我有生之年，能親眼目睹以量子計(jì)算為終端、以量子通信為安全保障的量子互聯(lián)網(wǎng)的誕生。”潘建偉說(shuō)，“我相信中國(guó)科學(xué)家們做得到。”

來(lái)源：http://www.chinanews.com/sh/2016/08-16/7973419.shtml