“墨子號(hào)”是怎樣煉成的「揭秘」
墨子號(hào)衛(wèi)星成功發(fā)射,那么“墨子號(hào)”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(kāi)謎底!
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(wèn)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(lèi)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(kāi)始!敝袊(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(kāi)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(lèi)對(duì)自然界的能量最小單位“量子”的理解,開(kāi)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(guò)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,使得存在偷聽(tīng)就一定會(huì)被發(fā)送者察覺(jué)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(zhuān)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(kāi)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(zhuān)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(jiàn)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(guò)一次翻車(chē)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(kāi)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(méi)有參考!蓖踅ㄓ钫J(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(qián)罐里(偏振測(cè)量的基矢在變化),不但要求硬幣擊中儲(chǔ)錢(qián)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(kāi)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(chē)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(chē)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(méi)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(wèn)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(wèn)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(mǎn)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(guò)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(guò)了檢驗(yàn)。“墨子號(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(wèn)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(kāi)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)。”潘建偉說(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(kāi)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)。”潘建偉說(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(hù)。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!
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