8月16日1时40分,我国在酒泉卫星发射中心成功将世界首颗量子卫星送上太空。 新华社发
卫星激光器要瞄准
千里外的地面站
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。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。
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地高。量子科学实验卫星首席科学家潘建伟院士坦言,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地高。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。
命名为“墨子”
提升我国文化自信
“关于这颗卫星的命名,我们考虑了好久。”潘建伟说,最终命名为墨子,缘起于已故著名教育家、中国科学技术大学老教授钱临照。
据了解,钱临照作为老一辈光学、科技史研究者,早年对墨家经典著作《墨经》有过深入研究,发现其中有不少与现代科学知识相通的记载,比如墨子在《墨经》中提出的“光学八条”。
“墨家逻辑是全球三大古老逻辑体系之一,而逻辑体系是科学的基础。”潘建伟说,墨子在两千多年前就发现了光线沿直线传播,并设计了小孔成像实验,奠定了光通信、量子通信的基础。
“就像国外有伽利略卫星、开普勒望远镜一样,以中国古代伟大科学先贤的名字来命名全球首颗量子卫星,将提升我国的文化自信。”他说。
卫星中转可实现
全球量子通信
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。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。
在潘建伟看来,量子通信的应用前景,就像电话的普及过程一样,将逐步进行,蔚为可观。“一开始,量子通信可能会应用于国防、金融、政务、科学研究等,之后会在大众中广泛应用。”要让每个人都用上,乐观的话需要10到15年。届时,每个人的家里、手机上或许都会有一个量子加密芯片,银行转款、电子账户等的涉密操作,都不用担心被盗用或者攻击。” 据新华社
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