世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星成功發(fā)射
“墨子號(hào)”是怎樣煉成的

左圖 星罩組合體在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心實(shí)施吊裝，與運(yùn)載火箭對(duì)接。新華社發(fā)

右上圖 長(zhǎng)征二號(hào)丁運(yùn)載火箭成功將“墨子號(hào)”發(fā)射升空。經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)記者 佘惠敏 攝

2016年8月16日1時(shí)40分，我國(guó)在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長(zhǎng)征二號(hào)丁運(yùn)載火箭成功將世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”發(fā)射升空。這將使我國(guó)在世界上首次實(shí)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(shí)驗(yàn)體系。

為了這一天，中國(guó)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(guó)防、金融、政務(wù)等多領(lǐng)域的信息安全問題，一直得到國(guó)際上的高度重視，各國(guó)間競(jìng)爭(zhēng)非常激烈?！澳犹?hào)”的成功研制，不僅是中國(guó)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?jiǎng)?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(hào)”是怎樣煉成的？請(qǐng)看《經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)》記者從“墨子號(hào)”飛升的地方——酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)回的報(bào)道。

科學(xué)家的夢(mèng)想：

把量子實(shí)驗(yàn)室搬上太空

說(shuō)起中國(guó)的量子通信，有一個(gè)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(guó)“最年輕院士”，42歲獲得國(guó)際量子通信大獎(jiǎng)，45歲成為國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)最年輕的第一完成人?，F(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(shí)驗(yàn)衛(wèi)星已經(jīng)飛上太空。

“把量子實(shí)驗(yàn)室搬上太空的夢(mèng)想，10多年前就已經(jīng)開始。”中國(guó)科學(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(lái)一場(chǎng)新的革命，我們開始對(duì)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(shuō)，自上世紀(jì)末以來(lái)，人類對(duì)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(chǎng)量子學(xué)革命的科學(xué)競(jìng)賽中，很多個(gè)世界首次均來(lái)自于潘建偉領(lǐng)銜的“中國(guó)隊(duì)”。在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)安全通信距離超過100公里的光纖量子密鑰分發(fā)、實(shí)現(xiàn)國(guó)際上首個(gè)全通型量子通信網(wǎng)絡(luò)、建成首個(gè)規(guī)?；孔油ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)……“這標(biāo)志著中國(guó)在量子通信領(lǐng)域的崛起，從10年前不起眼的國(guó)家發(fā)展為現(xiàn)在的世界勁旅，將領(lǐng)先于歐洲和北美。”國(guó)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(gè)光量子在傳輸信息的時(shí)候具有不可分割和不可被精確復(fù)制兩大特性，使得存在竊聽就一定會(huì)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(shí)用化必須遠(yuǎn)距離，但光子在光纖中隨著傳輸距離的增長(zhǎng)，損耗越來(lái)越大?！迸私▊フf(shuō)，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(cè)效率的理想單光子探測(cè)器，在1000公里光纖中進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)量子通信，每300年也只能傳輸一個(gè)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(lái)1M、10M都有可能。”

早在2003年，他就想到，為了真正實(shí)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(duì)實(shí)現(xiàn)了13公里自由空間量子糾纏和密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，證實(shí)光子穿透大氣層后，其量子態(tài)能夠有效保持，從而初步驗(yàn)證了星地量子通信的可行性。

2007年起，潘建偉團(tuán)隊(duì)與中國(guó)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(guó)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(shí)現(xiàn)了百公里級(jí)自由空間量子通信、星地量子通信的全方位地面驗(yàn)證等重要實(shí)驗(yàn)，充分驗(yàn)證星地量子通信的可行性。2011年底，作為中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)首批科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星中的一員，量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星項(xiàng)目正式立項(xiàng)。

“針尖”對(duì)“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(shí)現(xiàn)，要把科學(xué)家的夢(mèng)想變成現(xiàn)實(shí)。”量子衛(wèi)星工程常務(wù)副總師兼衛(wèi)星總指揮王建宇說(shuō)。

量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星是我國(guó)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(duì)麥芒”的星地光路對(duì)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(zhǎng)，原中科院上海技術(shù)物理研究所所長(zhǎng)，作為光學(xué)遙感系統(tǒng)專家，他的團(tuán)隊(duì)與潘建偉團(tuán)隊(duì)合作，在遼闊美麗的青海湖畔實(shí)現(xiàn)了百公里級(jí)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(duì)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(wú)人居住，隊(duì)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(gè)女研究生，從看見蛾子就害怕，到變成一邊做實(shí)驗(yàn)一邊面不改色把蛾子一只只拍死的“殺手”。2009年時(shí)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(duì)員們毫不氣餒，在現(xiàn)場(chǎng)把所有設(shè)備修好，堅(jiān)持把實(shí)驗(yàn)做完。

2011年衛(wèi)星正式立項(xiàng)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(gè)量子衛(wèi)星的工作，是國(guó)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，“墨子號(hào)”可不僅僅是天上的那顆衛(wèi)星，它還包括地面系統(tǒng)：1個(gè)中心——合肥量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，4個(gè)站——南山、德令哈、興隆、麗江量子通信地面站，1個(gè)平臺(tái)——阿里量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。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(cè)。

光量子非常小，它是光的最小單位，必須有極為靈敏的探測(cè)器，探測(cè)、分辨和收發(fā)一個(gè)個(gè)的光子；同時(shí)它又非常多，“墨子號(hào)”衛(wèi)星每秒能分發(fā)1億光子；它們還姿態(tài)萬(wàn)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(cè)每個(gè)光子的偏振狀態(tài)，檢測(cè)其正負(fù)、垂直、水平等各種狀態(tài)……

王建宇打了個(gè)比方：如果把光量子看成一個(gè)個(gè)1元硬幣，星地實(shí)驗(yàn)就相當(dāng)于要從萬(wàn)米高空飛行的飛機(jī)上，不斷把上億個(gè)硬幣一個(gè)個(gè)投入地面上一個(gè)不斷旋轉(zhuǎn)的儲(chǔ)錢罐里（偏振測(cè)量的基矢在變化），不但要求硬幣擊中儲(chǔ)錢罐（瞄準(zhǔn)精度），而且要求硬幣準(zhǔn)確射入罐子上細(xì)長(zhǎng)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(duì)上接收站的“麥芒”，王建宇團(tuán)隊(duì)與潘建偉團(tuán)隊(duì)一道，從2012年起開始進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)——收發(fā)距離40公里的轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)，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(dòng)實(shí)驗(yàn)，要考驗(yàn)超遠(yuǎn)距離“移動(dòng)瞄靶”能力；熱氣球浮空平臺(tái)實(shí)驗(yàn)，在空地環(huán)境下模擬量子密鑰分發(fā)……

這么困難的“針尖”對(duì)“麥芒”，其關(guān)鍵技術(shù)最終被一一攻破，在十幾個(gè)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(hào)碼?！迸私▊サ靡獾卣f(shuō)。

“墨子號(hào)”的未來(lái)：

量子互聯(lián)網(wǎng)的奠基之星

然而他們遇到的考驗(yàn)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(cè)器送去歐洲做質(zhì)子加速器輻照測(cè)試，卻發(fā)現(xiàn)此前地面實(shí)驗(yàn)中，對(duì)太空高能粒子的破壞性估計(jì)不足。按原本預(yù)計(jì)發(fā)射的600公里軌道的太空高能粒子輻射量，單光子探測(cè)器僅堅(jiān)持了一個(gè)星期就缺陷增多到無(wú)法使用的地步。

研究團(tuán)隊(duì)緊急行動(dòng)起來(lái)，三管齊下，終于解決了這個(gè)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(cè)器屏蔽厚度，這也是一個(gè)輔助措施。解決問題的關(guān)鍵是第三個(gè)措施，市面上現(xiàn)有的單光子探測(cè)器都無(wú)法滿足空間的高輻射環(huán)境要求，于是實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過艱苦攻關(guān)，終于做出了降低單光子探測(cè)器工作溫度的宇航級(jí)探測(cè)器。

新的探測(cè)器經(jīng)過了檢驗(yàn)?！澳犹?hào)”量子衛(wèi)星終于飛上太空，在500公里太陽(yáng)同步軌道上亮相。它的質(zhì)量約640千克，設(shè)計(jì)在軌運(yùn)行壽命2年。

在這兩年間，“墨子號(hào)”將完成兩大主要任務(wù)：在國(guó)際上率先實(shí)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(duì)量子物理基本問題進(jìn)行空間尺度的檢驗(yàn)，這會(huì)幫助科學(xué)家們加深對(duì)量子物理自身的理解。

這樣的“神器”已經(jīng)吸引了各國(guó)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(hào)’將先由中國(guó)科學(xué)家做出第一批實(shí)驗(yàn)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(guó)已和我們簽訂合作協(xié)議，加拿大也正與我國(guó)洽談合作事宜。

“墨子號(hào)”只是量子衛(wèi)星的先驅(qū)，它的成功與否關(guān)系著一個(gè)更龐大計(jì)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(lái)的量子衛(wèi)星星座，會(huì)將量子保密通信技術(shù)普及到個(gè)人。那時(shí)，你再也不必?fù)?dān)心自己的網(wǎng)絡(luò)賬號(hào)被竊取、銀行卡資金被盜轉(zhuǎn)了。

“單顆低軌衛(wèi)星無(wú)法覆蓋全球，同時(shí)由于強(qiáng)烈的太陽(yáng)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(shí)通信。要實(shí)現(xiàn)高效的全球化量子通信，還需要形成一個(gè)衛(wèi)星的網(wǎng)絡(luò)?！迸私▊フf(shuō)，繼“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”項(xiàng)目之后，團(tuán)隊(duì)還將計(jì)劃開展空間站“量子調(diào)控與光傳輸研究”項(xiàng)目。該項(xiàng)目將研究星間量子通信技術(shù)、全天時(shí)量子通信技術(shù)等，同時(shí)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(yàn)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(shuō)，“隨著中國(guó)科技的迅猛發(fā)展，我相信量子通信將在不到10年的時(shí)間里輻射千家萬(wàn)戶。期盼在我有生之年，能親眼目睹以量子計(jì)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(guó)科學(xué)家們做得到?！保ㄓ浾?佘惠敏）