作者:唐琳 来源:中国科学报 发布时间:2016/8/16 8:36:24
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量子卫星:科学与实用的双重“呼唤”

 

■本报记者 唐琳

2011年,中国科学院论证并启动了空间科学先导专项。2011年底,量子科学实验卫星项目正式立项。铸剑五载,如今,全球首颗量子科学实验卫星已经成功发射。

工程总体与六大系统

根据量子科学实验卫星的特点和实际需求,项目设置了工程总体和六大系统。

工程总体负责制定工程研制计划,编制工程顶层文件,组织工程重大活动,协调系统间问题,同时对工程整个研制过程进行监督和管理。

六大系统分工明确:卫星系统主要负责卫星平台和有效载荷的研发。

运载火箭系统主要负责运载火箭的研制和生产。

发射场系统选择酒泉卫星发射中心主要承担运载火箭和量子科学实验卫星的测试、发射任务,并提供地面技术支持与勤务保障。

测控系统负责对运载火箭主动段提供测控支持,向地面支撑系统传输原始遥测数据,接收地面支撑系统传送的科学实验数据并完成数据的上行发送和下行接收。

地面支撑系统负责提供实验任务运行控制管理、数据接收、预处理、管理和归档等公用性支撑服务。

科学应用系统负责整个量子科学实验卫星工程科学实验计划的制订、科学实验的实施、科学数据和应用的处理传输存储管理与发布。

关键技术

量子科学实验卫星需要在两年的设计寿命中完成四大任务。这些任务将通过我国自主研发的星地量子通信设备完成,它能够产生经过编码的,甚至是纠缠的光子并发射到地面上,与之对接的地面系统则负责“接收光子”,这种光子的发射与接收被称为“针尖对麦芒”。

量子科学实验卫星飞行的过程中,携带的两个激光器要分别瞄准两个地面站,向左向右同时传输纠缠光子。这就要求在飞行的过程中必须始终保证精确对准,跟踪要达到相当高的精度,这也是国际上从来没有人做过的。

为了让穿越大气层后光子的“针尖”仍能对上接收站的“麦芒”,量子科学实验卫星工程常务副总师兼卫星总指挥、中科院上海技术物理所研究员王建宇带领团队,与中科大教授潘建伟团队一道,从2012年起就开始进行各种实验——如收发距离40公里的转台实验,与卫星绕地运行的角速度一致;又如30公里距离的车载高速运动实验,考验超远距离“移动瞄靶”能力;再如热气球浮空平台,在空地环境下模拟量子密钥分发……

量子纠缠源的航天工程化也是量子科学实验卫星的一项关键技术。研究人员细化工程化指标,提炼出窄线宽泵浦激光器的空间适应性、高精度Sagnac干涉仪稳定性以及空间光纤极化控制三大技术难点,最终明确了量子纠缠源及光接口的技术状态,设计保证了关键技术的各项技术指标。

此次,量子科学实验卫星将包含4个有效载荷,分别是量子密钥通信机、量子纠缠发射机、量子纠缠源、量子实验控制与处理机。这些都耗费了科学家和工程技术人员的大量时间和心血。

协同攻关

量子科学实验卫星的一个显著特点是星上和地面协同完成科学实验,即天地一体化实验,而且科学实验的数据流和指令流链路也较其他卫星更为复杂。

在工程研制初期,虽然科学家团队对科学目标和科学实验都了如指掌,但是很多工程研制人员还是对在轨科学实验流程感到困惑。由此由工程总体组织、科学应用系统编制了《量子科学实验卫星工程天地一体化实验流程分析报告》。科学家通过对实验流程的不断讨论和细化,使得队伍逐渐对科学实验及其过程有了清晰认识。

此次项目的工程研制任务除了研制一颗量子科学实验卫星外,还需研制生产一发长征二号丁运载火箭,由航天科技集团第八研究院负责建造。

中国科学技术大学作为科学应用系统总体,全面承担起规划和建设工作,从总概算到建设流程作了周密部署;中科院国家天文台作为量子科学实验卫星科学应用系统的参研单位,主要负责地面站建设和改造分系统工作;国家天文台设计并参与建设了适用于量子科学实验卫星观测的地面站系统;中科院光电技术研究所新研制的南山和德令哈地面站1.2米口径望远镜和改造的兴隆和云南的两台米级望远镜,是量子通信系统的核心组成部分。

此外,团队在国际上首次研制完成宽光谱、高效率、高保偏、高精度的望远镜光学系统和速度动态范围大、抗扰能力强的望远镜伺服控制系统以及工作状态可配置的望远镜操控系统,在同一台望远镜上可同时完成量子通信、相干激光通信的实验任务以及天文观测任务,不少指标达到国际领先水平。

然而,这是一条没有尽头的征途。中国还将发射多颗卫星,计划到2020年,实现亚洲与欧洲的洲际量子密钥分发,建成连接亚洲与欧洲的洲际量子通信网;到2030年左右建成全球化的广域量子通信网络。

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四大实验:

科学与实用的双重“呼唤”

量子科学实验卫星一方面寻求量子理论在信息学和通信学方面最新成果在宏观大尺度上的应用,促进广域乃至全球范围量子通信的最终实现;另一方面将在宏观大尺度上对量子理论本身展开实验检验,在更深层次上为认识量子物理的基础科学问题、拓宽量子力学的研究方向作出重要贡献,促进整个物理学的发展。

为实现科学目标,须借助于卫星平台,在广域范围开展4项重要的科学实验:

1.星地高速量子密钥分发实验

星地高速量子密钥分发实验的目的是在高精度捕获、跟踪、瞄准系统的辅助下,在实现地面与卫星之间建立超远距离的量子信道的基础上,进行卫星与地面之间、基于诱骗态和基于纠缠的量子密钥生成和分发,实现卫星与地面之间以量子密钥为核心的绝对安全的保密通信实验,从而为建立全球范围的量子通信网络打下技术基础。

2.广域量子通信网络实验

近年来,随着光纤量子通信网络技术的发展,通过星地量子密钥分发过程组建真正的广域量子通信网络已经成为可能。这一实验将在实现高速星地量子密钥分发的基础上,与两个光学地面站及其附属的两个局域光纤量子通信网络相结合,通过卫星中转的方式组建真正意义上的广域量子通信网络。

3.星地量子纠缠分发实验

卫星上的量子纠缠光源同时向两个地面站分发纠缠光子,在完成量子纠缠分发后,对纠缠光子同时进行独立的量子测量。通过对千公里量级量子纠缠态的观测,开展空间尺度量子力学完备性检验的实验研究。

4.地星量子隐形传态实验

量子隐形传态是一种全新的通信方式,是量子网络与量子计算的基本过程。地星量子隐形传态实验将在量子存储的帮助下,探索卫星与地面之间远距离的真正意义及量子隐形传态的可行性,研究争取在类空间条件下完成量子力学非定域性的实验检验。(唐琳整理)

《中国科学报》 (2016-08-16 第1版 要闻)
 

 

 
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