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量子卫星凝聚“上海智慧” 科学家详解技术突破和未来应用

2016-8-16 05:24:39

来源:文汇报 作者:许琦敏 选稿:吴春伟

  今天凌晨,世界首颗量子科学实验卫星在酒泉卫星发射基地顺利发射。未来两年,这颗卫星将在500公里的高空,与地面建立起远距离量子科学实验平台,并在此平台上完成星地高速量子密钥分发、广域量子通信网络演示、星地双站量子纠缠分发,以及地星隐形传态等空间大尺度量子科学实验。

  量子通信,实际上是极其微弱的单光子级别通信,大量技术指标都需要扣着现有的理论极限来做,其挑战之大,不言而喻。而在这颗卫星上,凝聚了大量的上海智慧:卫星上的载荷是由中科院上海技术物理研究所和中国科学技术大学共同研制的,而卫星平台的研制则由上海微小卫星工程中心担纲;中科院上海光学精密机械研究所参与承担量子通信地面站建设———科学家为它烙上了“上海研发”的深深印记。

  构建有史以来最大实验室

  说起量子,让人感觉很神秘。其实,它就是构成物质的最基本单元,能量的最基本携带者,是一个小到不可连续分割的物理量,因此它无法被复制。

  量子有很多神奇的特性,它们被使用在通信上,就成为一种绝对安全的通信方式———量子保密通信。单光子的不可分割性和量子态的不可复制性从原理上保证了,一旦存在窃听必然会被察觉,从而被通信双方所规避。量子保密通信的安全性是基于量子物理学基本原理,只要量子力学是正确的,量子保密通信的安全性就得到严格保障。

  量子通信说来简单,可真正从技术上去实现,还有很多技术难题需要突破。量子密钥的远距离分发,就是一个在地面上难以解决的问题。量子科学实验卫星首席科学家、中科院院士潘建伟说,如果用光纤直接传送量子信息,要点对点传送1000公里,每300年只能传送一个字节。可光子垂直穿透大气层的能力还不错,如果可以让卫星在天上来传送量子携带的信息,那么速度可以达到每秒上百万个字节,今后还可能达到1兆、10兆。这样,量子保密通信就可能推动应用,而且传输范围一下就可扩大到成千上万公里———只要发射若干颗量子通信卫星,就可能实现全球量子通信。

  “这次,量子科学实验卫星整个工程,除了研制及发射1颗量子科学实验卫星,还将建设以4个量子通信地面站、1个空间量子隐形传态实验站为核心的空间量子科学实验系统。”潘建伟介绍,这将会是人类有史以来最大的一个实验室———卫星与地面站构成的天地一体化系统,相当于构建起了一个60万平方公里的实验室。

  在科学上,这个巨大的天地一体化实验室,还将验证许多量子力学的原理。比如,纠缠粒子之间的“心灵感应”到底可以有多远;物理学家设想的量子引力模型究竟哪个是正确的;把粒子地面上的状态上传到卫星上是否可行———这可关系到能否真的将一个物体瞬间转移到另一处。

  500公里天地间“抓光子”

  根据实验设想,未来,南山站和兴隆站将与量子卫星配合,完成单站星地高速量子密钥分发实验,以及建立广域量子通信网络演示实验;当量子卫星飞过南山站与德令哈站,德令哈站与丽江站之间时,可进行双站星地量子纠缠分发实验;当量子飞过阿里站上空时,实验站可向卫星发射纠缠光子,完成地星量子隐形传态实验。

  量子科学实验卫星工程常务副总设计师、卫星总指挥中科院上海技术物理研究所王建宇研究员说,要完成这些实验,就好比从上海打一束激光到北京,而目标则是城里的某一棵树———要求激光与目标的误差不能超过5米。

  实验难度更大的是,量子科学实验卫星是一颗太阳同步轨道卫星,它的飞行高度在500公里左右,飞行速度约为每秒7.5公里,折合成时速高达每小时27000公里———哪怕各地面站相距上千公里,卫星飞跃站点时,能够进行实验的时间也只有不到10分钟。尤其在双站量子纠缠分发实验中,在这短短10分钟内,卫星上的实验设备还必须同时精准对上两个地面站的接收设备,并建立光路链接、完成实验。

  在卫星上,主要有4个有效载荷,分别是量子密钥通信机、量子纠缠源、量子发射机、量子实验控制与处理系统。这次上天的量子纠缠源,其指标达到了国际最好,每秒可以产生5-6兆量子对,最高速时可以产生8兆。这个国际上首次上天的设备只有机顶盒的大小———平时实验室里纠缠源的体积非常巨大,这次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这种空间的环境要求。

  不过,尽管这已是最好的量子纠缠光源,但对于从500公里高空打到地面的激光而言,仍然是非常微弱的激光。“用来对准地面的信标光只有毫瓦级的功率,而真正的量子信息(纠缠量子对)更是以单个光子来到地面,而且从出发到接收,量子携带信息改变的出错率不可超过3.5%———要完成如此微弱的光通信,能够想象吗?”王建宇说,为了要达到这些目标,卫星与地面之间的时间误差还不能超过1纳秒。这意味着,从天上每秒发下1亿个光子,地面可以数出在何时接收到了哪一个光子。

  最终,卫星载荷技术团队克服了重重困难,达到了这些目标。而且,星地连接起的窄窄激光通道中,可同时进行5组激光同时工作,互不干扰。

  不到10分钟对准两个站

  量子卫星的各项实验都需要天地互动来实现,如在量子纠缠实验中飞跃地面两个站进行实验的时间只有短短10分钟左右,因此只有达到高于普通卫星10倍的对准精度,各项实验才能顺利展开。为了达到这一要求,量子科学实验卫星采用平台和有效载荷两级控制的方式。

  量子科学实验卫星总设计师朱振才介绍,从卫星角度看出去,两个地面站的范围在正负90度和75度,角度相差非常大。另外,卫星的光路与地面的望远镜的光轴要严格对准,误差要控制在3.5个微弧度内———激光到达地面的光斑直径只有不到10米,稍微偏一点,就照不到望远镜了。“整个过程中,卫星的角速度和角加速度都不是均匀变化的。”他说,此时卫星在天上姿态的控制难度就更大。“我们让卫星在飞跃第一个站时,先找到目标,进行初步一次对准,后续则让载荷进行多次调整对准。”这样既达到了对准精度,又使卫星姿态容易控制———该技术在国际上首次实现了能够控制两个设备运动、对两个站进行跟踪和实现光路对准的技术。让科学家感到自豪的是,最终他们达到了2.5微弧度的精度———比设计要求精度更高。

  微小卫星中心为这颗“全球首发”的卫星进行了一体化设计,这颗重量只有631公斤的小卫星,载荷重量超过了200公斤,而长期功耗却不到500瓦———完全可以靠蓄电池供给。

  作为一颗太阳同步轨道卫星,它原先设计的轨道高度为600公里,可那里正碰上了地球的辐射带。王建宇介绍,起初做模拟实验时,发现有些器件在高能粒子“轰炸”下,寿命只有一周。因此,科学家将轨道高度调低到500公里,以减少大约一半的宇宙高能粒子的影响。同时,科学家还从物理原理上想出办法,最终让器件能够在轨道上耐受住高能粒子的长期轰击。

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量子卫星凝聚“上海智慧” 科学家详解技术突破和未来应用

2016年8月16日 05:24 来源:文汇报

  今天凌晨,世界首颗量子科学实验卫星在酒泉卫星发射基地顺利发射。未来两年,这颗卫星将在500公里的高空,与地面建立起远距离量子科学实验平台,并在此平台上完成星地高速量子密钥分发、广域量子通信网络演示、星地双站量子纠缠分发,以及地星隐形传态等空间大尺度量子科学实验。

  量子通信,实际上是极其微弱的单光子级别通信,大量技术指标都需要扣着现有的理论极限来做,其挑战之大,不言而喻。而在这颗卫星上,凝聚了大量的上海智慧:卫星上的载荷是由中科院上海技术物理研究所和中国科学技术大学共同研制的,而卫星平台的研制则由上海微小卫星工程中心担纲;中科院上海光学精密机械研究所参与承担量子通信地面站建设———科学家为它烙上了“上海研发”的深深印记。

  构建有史以来最大实验室

  说起量子,让人感觉很神秘。其实,它就是构成物质的最基本单元,能量的最基本携带者,是一个小到不可连续分割的物理量,因此它无法被复制。

  量子有很多神奇的特性,它们被使用在通信上,就成为一种绝对安全的通信方式———量子保密通信。单光子的不可分割性和量子态的不可复制性从原理上保证了,一旦存在窃听必然会被察觉,从而被通信双方所规避。量子保密通信的安全性是基于量子物理学基本原理,只要量子力学是正确的,量子保密通信的安全性就得到严格保障。

  量子通信说来简单,可真正从技术上去实现,还有很多技术难题需要突破。量子密钥的远距离分发,就是一个在地面上难以解决的问题。量子科学实验卫星首席科学家、中科院院士潘建伟说,如果用光纤直接传送量子信息,要点对点传送1000公里,每300年只能传送一个字节。可光子垂直穿透大气层的能力还不错,如果可以让卫星在天上来传送量子携带的信息,那么速度可以达到每秒上百万个字节,今后还可能达到1兆、10兆。这样,量子保密通信就可能推动应用,而且传输范围一下就可扩大到成千上万公里———只要发射若干颗量子通信卫星,就可能实现全球量子通信。

  “这次,量子科学实验卫星整个工程,除了研制及发射1颗量子科学实验卫星,还将建设以4个量子通信地面站、1个空间量子隐形传态实验站为核心的空间量子科学实验系统。”潘建伟介绍,这将会是人类有史以来最大的一个实验室———卫星与地面站构成的天地一体化系统,相当于构建起了一个60万平方公里的实验室。

  在科学上,这个巨大的天地一体化实验室,还将验证许多量子力学的原理。比如,纠缠粒子之间的“心灵感应”到底可以有多远;物理学家设想的量子引力模型究竟哪个是正确的;把粒子地面上的状态上传到卫星上是否可行———这可关系到能否真的将一个物体瞬间转移到另一处。

  500公里天地间“抓光子”

  根据实验设想,未来,南山站和兴隆站将与量子卫星配合,完成单站星地高速量子密钥分发实验,以及建立广域量子通信网络演示实验;当量子卫星飞过南山站与德令哈站,德令哈站与丽江站之间时,可进行双站星地量子纠缠分发实验;当量子飞过阿里站上空时,实验站可向卫星发射纠缠光子,完成地星量子隐形传态实验。

  量子科学实验卫星工程常务副总设计师、卫星总指挥中科院上海技术物理研究所王建宇研究员说,要完成这些实验,就好比从上海打一束激光到北京,而目标则是城里的某一棵树———要求激光与目标的误差不能超过5米。

  实验难度更大的是,量子科学实验卫星是一颗太阳同步轨道卫星,它的飞行高度在500公里左右,飞行速度约为每秒7.5公里,折合成时速高达每小时27000公里———哪怕各地面站相距上千公里,卫星飞跃站点时,能够进行实验的时间也只有不到10分钟。尤其在双站量子纠缠分发实验中,在这短短10分钟内,卫星上的实验设备还必须同时精准对上两个地面站的接收设备,并建立光路链接、完成实验。

  在卫星上,主要有4个有效载荷,分别是量子密钥通信机、量子纠缠源、量子发射机、量子实验控制与处理系统。这次上天的量子纠缠源,其指标达到了国际最好,每秒可以产生5-6兆量子对,最高速时可以产生8兆。这个国际上首次上天的设备只有机顶盒的大小———平时实验室里纠缠源的体积非常巨大,这次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这种空间的环境要求。

  不过,尽管这已是最好的量子纠缠光源,但对于从500公里高空打到地面的激光而言,仍然是非常微弱的激光。“用来对准地面的信标光只有毫瓦级的功率,而真正的量子信息(纠缠量子对)更是以单个光子来到地面,而且从出发到接收,量子携带信息改变的出错率不可超过3.5%———要完成如此微弱的光通信,能够想象吗?”王建宇说,为了要达到这些目标,卫星与地面之间的时间误差还不能超过1纳秒。这意味着,从天上每秒发下1亿个光子,地面可以数出在何时接收到了哪一个光子。

  最终,卫星载荷技术团队克服了重重困难,达到了这些目标。而且,星地连接起的窄窄激光通道中,可同时进行5组激光同时工作,互不干扰。

  不到10分钟对准两个站

  量子卫星的各项实验都需要天地互动来实现,如在量子纠缠实验中飞跃地面两个站进行实验的时间只有短短10分钟左右,因此只有达到高于普通卫星10倍的对准精度,各项实验才能顺利展开。为了达到这一要求,量子科学实验卫星采用平台和有效载荷两级控制的方式。

  量子科学实验卫星总设计师朱振才介绍,从卫星角度看出去,两个地面站的范围在正负90度和75度,角度相差非常大。另外,卫星的光路与地面的望远镜的光轴要严格对准,误差要控制在3.5个微弧度内———激光到达地面的光斑直径只有不到10米,稍微偏一点,就照不到望远镜了。“整个过程中,卫星的角速度和角加速度都不是均匀变化的。”他说,此时卫星在天上姿态的控制难度就更大。“我们让卫星在飞跃第一个站时,先找到目标,进行初步一次对准,后续则让载荷进行多次调整对准。”这样既达到了对准精度,又使卫星姿态容易控制———该技术在国际上首次实现了能够控制两个设备运动、对两个站进行跟踪和实现光路对准的技术。让科学家感到自豪的是,最终他们达到了2.5微弧度的精度———比设计要求精度更高。

  微小卫星中心为这颗“全球首发”的卫星进行了一体化设计,这颗重量只有631公斤的小卫星,载荷重量超过了200公斤,而长期功耗却不到500瓦———完全可以靠蓄电池供给。

  作为一颗太阳同步轨道卫星,它原先设计的轨道高度为600公里,可那里正碰上了地球的辐射带。王建宇介绍,起初做模拟实验时,发现有些器件在高能粒子“轰炸”下,寿命只有一周。因此,科学家将轨道高度调低到500公里,以减少大约一半的宇宙高能粒子的影响。同时,科学家还从物理原理上想出办法,最终让器件能够在轨道上耐受住高能粒子的长期轰击。