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“墨子号”开启星际首航——全球首颗量子卫星揭秘

时间:2016年08月16日 信息来源:新华社 点击: 【字体:

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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(简称“量子卫星”)发射升空(拼版照片)。新华社记者 金立旺摄 


16日凌晨,被命名为“墨子号”的中国首颗量子科学实验卫星开启星际之旅。它承载着率先探索星地量子通信可能性的使命,并将首次在空间尺度验证量子理论的真实性。


在量子卫星首席科学家潘建伟院士看来,如果说地面量子通信构建了一张连接每个城市、每个信息传输点的“网”,那么量子科学实验卫星就像一杆将这张网射向太空的“标枪”。当这张纵横寰宇的量子通信“天地网”织就,海量信息将在其中来去如影,并且“无条件”安全。

   这是在812所进行磁测试的量子卫星(2014年12月2日摄)。新华社发(中科院微小卫星创新研究院供图)


量子科学,对绝大多数人来说十分高冷。但当它与信息技术相连,就与我们每个人息息相关。当今社会,信息的海量传播背后也充斥着信息泄露的风险。而量子科学则为信息安全提供了“终极武器”。


在物理王国里,量子理论是一个百岁的“幽灵”,爱因斯坦也曾被它的“诡异”所困扰。


在量子世界中,一个物体可以同时处在多个位置,一只猫可以处在“死”和“活”的叠加状态上;所有物体都具有“波粒二象性”,既是粒子也是波;两个处于“纠缠态”的粒子,即使相距遥远也具有“心电感应”,一个发生变化,另一个会瞬时发生相应改变……


正是由于量子具有这些不同于宏观物理世界的奇妙特性,才构成了量子通信安全的基石。在量子保密通信中,由于量子的不可分割、不可克隆和测不准的特性,所以一旦存在窃听就必然会被发送者察觉并规避。


“传统的信息安全都是依赖于复杂的算法,只要计算能力足够强大,再复杂的保密算法都能够被破解。量子通信能做到绝对安全,是由量子自身的特性所决定的,计算能力再强也破解不了,因此它是革命性的,可从根本上、永久性解决信息安全问题。”潘建伟说。


量子通信系统的问世,点燃了建造“绝对安全”通信系统的希望。当前,量子通信的实用化和产业化已经成为各个大国争相追逐的目标。


在量子通信的国际赛跑中,中国属于后来者。经过多年的努力,中国已经跻身于国际一流的量子信息研究行列,在城域量子通信技术方面也走在了世界前列,建设完成合肥、济南等规模化量子通信城域网,“京沪干线”大尺度光纤量子通信骨干网也即将竣工。


然而,这只是开始。“在城市范围内,通过光纤构建城域量子通信网络是最佳方案。但要实现远距离甚至全球量子通信,仅依靠光纤量子通信技术是远远不够的。”潘建伟说。


他解释说,因为量子的信息携带者光子在光纤里传播一百公里之后大约只有1‰的信号可以到达最后的接收站,所以光纤量子通信达到百公里量级就很难再突破。但光子穿透整个大气层后却可以保留80%左右,再利用卫星的中转,就可以实现地面上相距数千公里甚至覆盖全球的广域量子保密通信。


另外,诞生百年的量子理论的奇妙之处在实验室里被不断重复检验,但却从未在太空尺度验证过。量子理论的各种奇异现象在太空中是否还存在?量子纠缠和隐形传输是否可以延伸到星地之间?这些都需要卫星去验证。


2011年,中科院正式启动全球首颗“量子科学实验卫星”的研制,这既意味着中国科学家率先向星地量子通信发起挑战,更意味着中国或将领先欧美获得量子通信覆盖全球的能力。

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 在中科院微小卫星创新研究院,量子科学实验卫星出厂装箱前进行外观检查(2016年6月30日摄)。新华社发(中科院微小卫星创新研究院供图)


目前,国际上还没有一个国家将量子科学实验送入空间,量子卫星的研制没有任何经验可循,过程充满了困难和挑战。


科学家在量子卫星上搭载了自主研发的“四种武器”:量子密钥通信机、量子纠缠发射机、量子纠缠源和量子试验控制与处理机。


同时,在地面建设了科学应用系统,包括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。


卫星与地面站共同构成天地一体化量子科学实验系统,在两年的设计寿命期间将进行四大实验任务——星地高速量子密钥分发实验、广域量子通信网络实验、星地量子纠缠分发实验、地星量子隐形传态实验。


潘建伟介绍,实验大致分为三类:第一类是进行卫星和地面之间的量子密钥分发,实现天地之间的安全通信,如果4个地面站任何两两之间都可以实现安全的通讯,即可实现组网;第二类相当于把量子实验室搬到太空,在空间尺度检验量子理论;第三类是实现卫星和地面千公里量级的量子态隐形传输。


天地量子科学实验非常复杂,对天地实验设备的要求也异乎寻常的高。潘建伟坦言,卫星研制过程中,最困难的环节就是有效载荷,“攻克了许多技术难题才拿下”。


比如量子纠缠源,它只有机顶盒的大小,作用却非常关键,它能够产生纠缠光,这是量子卫星在空中做各种实验的源头。平时实验室里纠缠源的体积非常巨大,研究人员不仅把它做到了小型化,还通过一系列的创新让它实现了满足空间环境要求,在国际上是首次实现。


量子卫星对精准控制的要求也前所未有的高。量子卫星系统总师朱振才介绍,量子卫星飞行中,携带的两个激光器要分别瞄准两个相距上千公里的地面站,向左向右同时传输量子密钥,且卫星上的光轴和地面望远镜的光轴要始终精确对准,就好比卫星上的“针尖”对地面上的“麦芒”。


科研团队进行了各种实验,考验超远距离“移动瞄靶”能力,最终突破了星地光路对准等关键技术,通过平台和载荷两级控制的方式,对准精度可以达到普通卫星的10倍。


“激光器一站对一站有人做过,但一颗卫星对准两个地面站国际上还从来没有过。如果成功的话,在国际上也是首次实现这么高精度的跟踪和地面站配合。”中科院国家空间科学中心主任吴季说。

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在酒泉卫星发射中心,量子科学实验卫星在进行有效载荷光学性能测试(2016年7月21日摄)。新华社发(中科院微小卫星创新研究院供图)


此刻,量子卫星已在太空轨道上翱翔。而它最初的构想,始于十几年前。


2001年,31岁的潘建伟从欧洲回国,在中科大组建了量子信息实验室。2003年,当大多数人仍致力于在实验室内部的原理性演示时,潘建伟和同事们已经萌生了“天地一体化”量子通信网的初步构想,“量子科学实验卫星”正是这个构想中的关键节点。


“工欲善其事,必先利其器”。围绕这一远景目标,潘建伟团队开始了十余年的技术积累。他带领团队在自由空间量子密钥分发、量子纠缠分发和量子隐形传态实验等方面不断取得国际领先的突破性成果。


2005年,潘建伟团队在世界上第一次实现13公里自由空间量子通信实验,证实光子穿透大气层后,其量子态能够有效保持,从而验证了星地量子通信的可行性。


随后,他们又不断创造“传奇”:16公里自由空间量子隐形传态、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实验……为星地量子通信打下了坚实基础。


经过十多年的发展,中国在量子通信领域已成为名副其实的世界劲旅。而这十多年间,从构想、攻关、立项到突破,人类历史上第一颗量子通信卫星终成现实。


潘建伟说,“墨子号”发射以后,如果效果达到预期,下一步还计划发射“墨子二号”“墨子三号”。“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夜间进行。要实现高效的全球化量子通信,还需要形成一个卫星网络。”


未来,一个由几十颗量子卫星组成的“璀璨星群”,将与地面量子通信干线“携手”,支撑起“天地一体”的量子通信网。


到2030年左右,中国力争率先建成全球化的广域量子保密通信网络。在此基础上,构建信息充分安全的“量子互联网”,形成完整的量子通信产业链和下一代国家主权信息安全生态系统。


“安全的通信是属于我们的,但是科学研究是面向全世界开放的。”潘建伟透露,第一个开放的项目是与奥地利科学院合作,实现北京和维也纳之间的洲际量子保密通讯,之后将和更多国家合作开展量子信息技术方面的研究。


继量子卫星之后,潘建伟团队还计划开展空间站“量子调控与光传输研究”项目,研究星间量子通信技术等,同时进行量子密钥组网应用等研究,为下一步卫星组网奠定技术基础。


“随着中国科技的迅猛发展,我相信量子通信将在10年左右时间辐射千家万户。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。”潘建伟说,“我相信中国科学家们做得到。”

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 在酒泉卫星发射中心,量子科学实验卫星在安装外表面热控材料(2016年7月26日摄)。新华社发(中科院微小卫星创新研究院供图) 

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 在酒泉卫星发射中心,量子科学实验卫星在安装太阳翼(2016年7月27日摄)。新华社发(中科院微小卫星创新研究院供图)

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在酒泉卫星发射中心,量子科学实验卫星在进行太阳翼展开试验(2016年7月30日摄)。新华社发(中科院微小卫星创新研究院供图)

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 在酒泉卫星发射中心,太阳帆板展开试验准备(2016年7月30日摄)。新华社发(中科院微小卫星创新研究院供图) 

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在酒泉卫星发射中心,量子科学实验卫星在与运载火箭适配器对接(2016年8月3日摄)。新华社发(中科院微小卫星创新研究院供图)

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 在酒泉卫星发射中心,卫星在安装星箭分离解锁机构(2016年8月4日摄)。新华社发(中科院微小卫星创新研究院供图) 


(作者:吴晶晶、杨维汉、徐海涛)
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