“墨子號”是怎樣煉成的「揭秘」
墨子號衛(wèi)星成功發(fā)射，那么“墨子號”是怎樣煉成的呢?也許大家還不怎么清楚吧!下面應(yīng)屆畢業(yè)生小編為您揭開謎底!
2016年8月16日1時40分，我國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長征二號丁運(yùn)載火箭成功將世界首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”發(fā)射升空。這將使我國在世界上首次實現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間的量子通信，構(gòu)建天地一體化的量子保密通信與科學(xué)實驗體系。
為了這一天，中國的量子物理學(xué)家們，已經(jīng)準(zhǔn)備了10多年。
量子通信可以從根本上解決國防、金融、政務(wù)等多領(lǐng)域的信息安全問題，一直得到國際上的高度重視，各國間競爭非常激烈�！澳犹枴钡某晒ρ兄疲粌H是中國量子保密通信領(lǐng)域“殺手锏”技術(shù)研發(fā)的重大突破，也是世界量子通信技術(shù)的重要創(chuàng)新，它有望使人類科技發(fā)展史上“最安全的通信手段”具備覆蓋全球的能力。
神器“墨子號”是怎樣煉成的?請看《經(jīng)濟(jì)日報》記者從“墨子號”飛升的地方——酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)回的報道。
科學(xué)家的夢想：
把量子實驗室搬上太空
說起中國的量子通信，有一個必須提到的名字——潘建偉。
這位1970年出生的量子物理學(xué)家，41歲當(dāng)選中國“最年輕院士”，42歲獲得國際量子通信大獎，45歲成為國家自然科學(xué)獎一等獎最年輕的第一完成人。現(xiàn)在，作為首席科學(xué)家，他領(lǐng)銜研制的世界首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星已經(jīng)飛上太空。
“把量子實驗室搬上太空的夢想，10多年前就已經(jīng)開始�！敝袊茖W(xué)技術(shù)大學(xué)教授、量子衛(wèi)星首席科學(xué)家潘建偉告訴記者。
“量子物理正迎來一場新的革命，我們開始對量子進(jìn)行精確調(diào)控，其意義就像生物學(xué)從豌豆遺傳規(guī)律發(fā)展到基因雙螺旋結(jié)構(gòu)�！迸私▊フf，自上世紀(jì)末以來，人類對自然界的能量最小單位“量子”的理解，開始突破往昔瓶頸。
在這場量子學(xué)革命的科學(xué)競賽中，很多個世界首次均來自于潘建偉領(lǐng)銜的“中國隊”。在國際上首次實現(xiàn)安全通信距離超過100公里的光纖量子密鑰分發(fā)、實現(xiàn)國際上首個全通型量子通信網(wǎng)絡(luò)、建成首個規(guī)�；孔油ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)……“這標(biāo)志著中國在量子通信領(lǐng)域的崛起，從10年前不起眼的國家發(fā)展為現(xiàn)在的世界勁旅，將領(lǐng)先于歐洲和北美。”國際權(quán)威期刊《自然》雜志曾如此感嘆。
量子通信的安全性基于量子物理的基本原理。作為光的最小粒子，每個光量子在傳輸信息的時候具有不可分割和不可被精確復(fù)制兩大特性，使得存在偷聽就一定會被發(fā)送者察覺并規(guī)避，從而保證了信息的安全。
“量子通信要真正實用化必須遠(yuǎn)距離，但光子在光纖中隨著傳輸距離的增長，損耗越來越大�！迸私▊フf，即使存在超出目前技術(shù)水平的10G赫茲理想單光子源和100%探測效率的理想單光子探測器，在1000公里光纖中進(jìn)行點對點量子通信，每300年也只能傳輸一個比特�！岸蒙闲l(wèi)星中轉(zhuǎn)，現(xiàn)有技術(shù)就能1秒傳送100K，隨著技術(shù)進(jìn)步，將來1M、10M都有可能�！�
早在2003年，他就想到，為了真正實現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子通信，可以考慮用衛(wèi)星。在這一背景下，2005年，潘建偉團(tuán)隊實現(xiàn)了13公里自由空間量子糾纏和密鑰分發(fā)實驗，證實光子穿透大氣層后，其量子態(tài)能夠有效保持，從而初步驗證了星地量子通信的可行性。
2007年起，潘建偉團(tuán)隊與中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所、上海微小衛(wèi)星工程中心、中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所等研究機(jī)構(gòu)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手，發(fā)展了一系列自由空間量子通信的關(guān)鍵技術(shù)，先后實現(xiàn)了百公里級自由空間量子通信、星地量子通信的全方位地面驗證等重要實驗，充分驗證星地量子通信的可行性。2011年底，作為中國科學(xué)院空間科學(xué)先導(dǎo)專項首批科學(xué)實驗衛(wèi)星中的一員，量子科學(xué)實驗衛(wèi)星項目正式立項。
“針尖”對“麥芒”：
挑戰(zhàn)世界上最高的難度
“工程師的任務(wù)是技術(shù)實現(xiàn)，要把科學(xué)家的夢想變成現(xiàn)實。”量子衛(wèi)星工程常務(wù)副總師兼衛(wèi)星總指揮王建宇說。
量子科學(xué)實驗衛(wèi)星是我國自主研發(fā)的星地量子通信設(shè)備，突破了一系列高精尖技術(shù)，包括“針尖對麥芒”的星地光路對準(zhǔn)，偏振態(tài)保持與星地基矢校正，量子光源載荷等關(guān)鍵技術(shù)。
王建宇從2007年就開始加入量子衛(wèi)星的研究。他是中科院上海分院副院長，原中科院上海技術(shù)物理研究所所長，作為光學(xué)遙感系統(tǒng)專家，他的團(tuán)隊與潘建偉團(tuán)隊合作，在遼闊美麗的青海湖畔實現(xiàn)了百公里級自由空間量子通信。
在2007年至2010年的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)階段，研究團(tuán)隊將量子密鑰產(chǎn)生的地方放在青海湖湖心島海心山上，從中間向兩邊分發(fā)。海心山無人居住，隊員們睡著帳篷，還要打死一批批前赴后繼的蛾子，它們甚至?xí)w進(jìn)設(shè)備里。有個女研究生，從看見蛾子就害怕，到變成一邊做實驗一邊面不改色把蛾子一只只拍死的 “殺手”。2009年時他們還曾經(jīng)遭遇過一次翻車事故，主設(shè)備被摔成三截，年輕的隊員們毫不氣餒，在現(xiàn)場把所有設(shè)備修好，堅持把實驗做完。
2011年衛(wèi)星正式立項后，更高的難度挑戰(zhàn)開始了。
“以前做衛(wèi)星，多少能找到參考。但這個量子衛(wèi)星的工作，是國際首次，完全沒有參考。”王建宇認(rèn)為，最困難的環(huán)節(jié)就是天地一體化聯(lián)通。
按潘建偉等科學(xué)家的實驗設(shè)計要求，“墨子號”可不僅僅是天上的那顆衛(wèi)星，它還包括地面系統(tǒng)：1個中心——合肥量子科學(xué)實驗中心，4個站——南山、德令哈、興隆、麗江量子通信地面站，1個平臺——阿里量子隱形傳態(tài)實驗平臺。衛(wèi)星和地面站之間，要做到最高精度的瞄準(zhǔn)，和最靈敏的探測。
光量子非常小，它是光的.最小單位，必須有極為靈敏的探測器，探測、分辨和收發(fā)一個個的光子;同時它又非常多，“墨子號”衛(wèi)星每秒能分發(fā)1億光子;它們還姿態(tài)萬千，形成不同的量子編碼，我們不僅要收到光子，還要完美檢測每個光子的偏振狀態(tài)，檢測其正負(fù)、垂直、水平等各種狀態(tài)……
王建宇打了個比方：如果把光量子看成一個個1元硬幣，星地實驗就相當(dāng)于要從萬米高空飛行的飛機(jī)上，不斷把上億個硬幣一個個投入地面上一個不斷旋轉(zhuǎn)的儲錢罐里(偏振測量的基矢在變化)，不但要求硬幣擊中儲錢罐(瞄準(zhǔn)精度)，而且要求硬幣準(zhǔn)確射入罐子上細(xì)長的投幣口(偏振保持)。
為了讓穿越大氣層后光子的“針尖”仍能對上接收站的“麥芒”，王建宇團(tuán)隊與潘建偉團(tuán)隊一道，從2012年起開始進(jìn)行各種實驗——收發(fā)距離40公里的轉(zhuǎn)臺實驗，要與衛(wèi)星繞地運(yùn)行的角速度一致;30公里距離的車載高速運(yùn)動實驗，要考驗超遠(yuǎn)距離“移動瞄靶”能力;熱氣球浮空平臺實驗，在空地環(huán)境下模擬量子密鑰分發(fā)……
這么困難的“針尖”對“麥芒”，其關(guān)鍵技術(shù)最終被一一攻破，在十幾個研究所的幾百位科研人員的傾情投入中，衛(wèi)星的初樣完成了�！澳壳暗募夹g(shù)，相當(dāng)于從地球上，看清木星衛(wèi)星上的汽車牌照號碼�！迸私▊サ靡獾卣f。
“墨子號”的未來：
量子互聯(lián)網(wǎng)的奠基之星
然而他們遇到的考驗并沒有結(jié)束。在衛(wèi)星初樣完成后，研究人員把衛(wèi)星的關(guān)鍵設(shè)備——單光子探測器送去歐洲做質(zhì)子加速器輻照測試，卻發(fā)現(xiàn)此前地面實驗中，對太空高能粒子的破壞性估計不足。按原本預(yù)計發(fā)射的600公里軌道的太空高能粒子輻射量，單光子探測器僅堅持了一個星期就缺陷增多到無法使用的地步。
研究團(tuán)隊緊急行動起來，三管齊下，終于解決了這個意料之外的嚴(yán)重問題。一是將衛(wèi)星軌道從600公里降至500公里，這可降低一半輻射。二是增加探測器屏蔽厚度，這也是一個輔助措施。解決問題的關(guān)鍵是第三個措施，市面上現(xiàn)有的單光子探測器都無法滿足空間的高輻射環(huán)境要求，于是實驗團(tuán)隊經(jīng)過艱苦攻關(guān)，終于做出了降低單光子探測器工作溫度的宇航級探測器。
新的探測器經(jīng)過了檢驗�！澳犹枴绷孔有l(wèi)星終于飛上太空，在500公里太陽同步軌道上亮相。它的質(zhì)量約640千克，設(shè)計在軌運(yùn)行壽命2年。
在這兩年間，“墨子號”將完成兩大主要任務(wù)：在國際上率先實現(xiàn)高速的星地量子通信，為量子的全球互聯(lián)網(wǎng)奠定基石;對量子物理基本問題進(jìn)行空間尺度的檢驗，這會幫助科學(xué)家們加深對量子物理自身的理解。
這樣的“神器”已經(jīng)吸引了各國的量子物理學(xué)家，歐洲美洲的量子物理學(xué)家們紛紛求合作。
“‘墨子號’將先由中國科學(xué)家做出第一批實驗成果，一年后再開始跟歐洲合作，進(jìn)行世界范圍量子通信組網(wǎng)�！迸私▊ネ嘎�，目前奧地利等國已和我們簽訂合作協(xié)議，加拿大也正與我國洽談合作事宜。
“墨子號”只是量子衛(wèi)星的先驅(qū)，它的成功與否關(guān)系著一個更龐大計劃的進(jìn)程。
我們還將發(fā)射功能更好、數(shù)量更多的量子衛(wèi)星，它們將組成量子衛(wèi)星的星座。就像目前的北斗星座為人們提供導(dǎo)航服務(wù)一樣，未來的量子衛(wèi)星星座，會將量子保密通信技術(shù)普及到個人。那時，你再也不必?fù)?dān)心自己的網(wǎng)絡(luò)賬號被竊取、銀行卡資金被盜轉(zhuǎn)了。
“單顆低軌衛(wèi)星無法覆蓋全球，同時由于強(qiáng)烈的太陽光背景，目前的星地量子通信只能在地影區(qū)也就是深夜進(jìn)行，不能全時通信。要實現(xiàn)高效的全球化量子通信，還需要形成一個衛(wèi)星的網(wǎng)絡(luò)�！迸私▊フf，繼“量子科學(xué)實驗衛(wèi)星”項目之后，團(tuán)隊還將計劃開展空間站“量子調(diào)控與光傳輸研究”項目。該項目將研究星間量子通信技術(shù)、全天時量子通信技術(shù)等，同時進(jìn)行量子密鑰組網(wǎng)應(yīng)用、多種技術(shù)體制的空間激光通信驗證、量子密鑰分發(fā)與激光通信復(fù)合的加密信息傳輸系統(tǒng)等應(yīng)用研究，為下一步的衛(wèi)星組網(wǎng)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。
“如果進(jìn)展順利，有希望到2030年左右，建成全球化的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)�！迸私▊フf，“隨著中國科技的迅猛發(fā)展，我相信量子通信將在不到10 年的時間里輻射千家萬戶。期盼在我有生之年，能親眼目睹以量子計算為終端、以量子通信為安全保障的量子互聯(lián)網(wǎng)的誕生。我相信中國科學(xué)家們做得到�！�
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