27屆二等獎 探秘“墨子號”

探秘“墨子號”

本月中下旬，浩瀚的宇宙空間可望增添一顆新的衛(wèi)星——“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星，這是我國也是世界首顆量子科學實驗衛(wèi)星。記者從中國科學技術大學獲悉，我國首顆量子科學實驗衛(wèi)星將于近日擇機發(fā)射升空，目前這顆衛(wèi)星發(fā)射前的各項準備工作已基本完成。如果該衛(wèi)星運行成功，我國將成為世界上首次實現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間量子通信的國家。

絕對安全的星地通信

小小量子，神秘莫測；天地通信，魅力無窮。日前，我國即將發(fā)射的全球首顆量子科學實驗衛(wèi)星被正式命名為“墨子號”。中科院院士、中科大教授、量子衛(wèi)星首席科學家潘建偉表示，墨子最早提出光線沿直線傳播，設計了小孔成像實驗，奠定了光通信、量子通信的基礎。以中國古代偉大科學家的名字命名量子衛(wèi)星，將提升我們的文化自信。

隨著“墨子號”升空和京滬量子通信保密干線建成，我國將在世界上率先實現(xiàn)全球化的量子保密通信，一星一地將開啟對量子世界從未有過的探索?！蹲匀弧冯s志曾經評論說：“在量子通信領域，中國用了不到十年的時間，從一個不起眼的國家發(fā)展成為現(xiàn)在的世界勁旅?！币灾锌拼鬄榇淼牧孔油ㄐ叛芯繄F隊，使得我國從起初的跟蹤、并行，到如今的領跑量子世界。

量子通信最突出的特點，是其“保密”功能，被稱為絕對安全的保密通信?！皬脑砩蟻碚f，量子通信是無條件安全的通信方式?！迸私▊ケ硎?，由于量子具有不可分割、狀態(tài)不可克隆的特性，將其作為信息載體就可以實現(xiàn)抵御任何竊聽的密鑰分發(fā)，進而保證傳輸內容的絕對安全?！肮湃嗽谛欧馍嫌没鹌岱饪?，一旦信件被中途拆開，就會留下泄密的痕跡?！迸私▊ネ嘎?，量子密鑰在量子通信中的作用比火漆更徹底，因為一旦有人試圖打開“信件”，量子密鑰會讓“信件”自毀，并讓使用者知曉。

量子有很多奇特的特性。比如，與目前只有“0”和“1”兩個狀態(tài)的數(shù)字比特相比，量子比特可以處于這兩種狀態(tài)的相干疊加態(tài)，這就意味著一個量子比特可以攜帶更大量的信息。但其保密特性與量子的測不準原理息息相關?？茖W研究表明，量子是不可分的最小能量單位，能量或物質細小到一定限度，就無法被準確測量，因為測量意味著干涉。理論上完美到極致的顯微鏡，對于一個量子級別的粒子也束手無策，因為一“碰”就毀壞了粒子的待測狀態(tài)。依據量子力學的這些原理，任何竊聽者在信息傳輸過程中截取或測量，都會改變它們的狀態(tài)，從而被實時發(fā)現(xiàn)。

制高點上的大國競爭

美國對量子通信的理論和實驗研究開始較早，是最先將量子技術列入國家戰(zhàn)略、國防和安全研發(fā)計劃的國家。歐盟曾聯(lián)合12個成員國發(fā)展基于量子中繼和衛(wèi)星的自由空間量子通信網絡。日本計劃到2040年建成極限容量、無條件安全的量子通信網絡。在量子通信領域，世界上各大國紛紛投入大量的人力、物力和財力，以搶占在這一領域的制高點。

“在量子領域，目前可能離實用最接近的就是量子保密通信?！迸私▊ソ榻B。2011年，量子科學實驗衛(wèi)星工程在中科院先導計劃中正式立項，中科大潘建偉團隊負責科學應用系統(tǒng)的研制，并與中科院上海技術物理研究所王建宇團隊設計天地一體化實驗系統(tǒng)；中科院上海技術物理研究所與中科大共同負責星上量子通信有效載荷研制；上海微小衛(wèi)星工程中心負責衛(wèi)星平臺研制；中科院國家空間科學應用中心負責了衛(wèi)星運行中相關地面支撐任務；中科院國家天文臺、光電技術研究所和上海光學精密機械研究所承擔負責量子通信地面站建設。

“如果量子衛(wèi)星和京滬干線兩件事都做成了，意味著天地一體化的量子通信網絡雛形就形成了，驗證了技術上的可行性?！迸私▊ケ硎荆孔涌茖W實驗衛(wèi)星上天后，可以實現(xiàn)高速星地量子通信，連接地面的城域量子通信網絡。按照計劃，今后我國還將陸續(xù)發(fā)射多顆量子衛(wèi)星，力爭在2030年前后率先建成全球化的廣域量子保密通信網絡。

羅馬并非一日建成。今年1月，潘建偉團隊的“多光子糾纏及干涉度量”項目，奪得國家自然科學獎一等獎。近年來，他們的量子通信成果9次入選兩院院士評選的“年度十大科技進展新聞”，1次入選《自然》雜志評選的“年度十大科技亮點”，3次入選英國物理學會評選的“年度物理學重大進展”，3次入選美國物理學會評選的“年度物理學重大事件”。

實驗衛(wèi)星的科學使命

“量子科學實驗衛(wèi)星，之所以加上‘實驗’二字，就是因為科學研究未必會一帆風順?！迸私▊ピ寡?。量子科學實驗衛(wèi)星是中科院空間科學戰(zhàn)略性先導科技專項中首批確定的5顆科學實驗衛(wèi)星之一，旨在建立衛(wèi)星與地面遠距離量子科學實驗平臺，并在此平臺上完成空間大尺度量子科學實驗。隨著量子衛(wèi)星即將發(fā)射，其神秘面紗被一一揭開。

“這次量子科學實驗衛(wèi)星升空后，將進行星地高速量子密鑰分發(fā)、廣域量子通信網絡演示、星地雙站糾纏分發(fā)以及地星隱形傳態(tài)多項任務?！迸私▊ケ硎?。量子衛(wèi)星所要進行的量子密鑰分發(fā)、量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)這三大實驗都在地面進行過，但是在衛(wèi)星和地面這么大尺度的空間展開，在全球還是首次。為應對挑戰(zhàn)，潘建偉團隊與多個兄弟單位聯(lián)合攻關，并取得多項重要進展。比如，提出完整的星地量子通信系統(tǒng)方案，并在青海湖畔順利完成世界首次浮空平臺量子密鑰分發(fā)試驗等。

為配合完成量子科學實驗衛(wèi)星的科學使命，我國已在北京興隆、烏魯木齊南山、青海德令哈、云南麗江建設4個量子通信地面站，在西藏阿里建設1個空間量子隱形傳態(tài)實驗站，屆時“墨子號”將與這5個站點進行通信對接。據中科院人士的介紹，這顆衛(wèi)星研制歷時4年半，質量約640千克，由長征-2D運載火箭發(fā)射，運行于500千米太陽同步軌道，軌道傾角為97.37°，設計在軌運行壽命2年。該衛(wèi)星包括4個有效載荷：量子密鑰通信機、量子糾纏發(fā)射機、量子糾纏源、量子試驗控制與處理機，可與地面上相距千公里量級的兩處光學站同時建立量子光鏈路。

7月初，“墨子號”已運抵酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心。此后，相關部門對衛(wèi)星開展了為期20余天的技術區(qū)測試與檢查工作，包括衛(wèi)星的光學性能、電性能，及安裝精度的檢驗，另外為衛(wèi)星供電的太陽能帆板也已經安裝完畢。作為世界上首顆量子衛(wèi)星，其科技含量及精密程度都達到該研究領域前所未有的高度，因此衛(wèi)星載荷的安全性極其重要。衛(wèi)星發(fā)射當天，系統(tǒng)工作人員還將對其進行最后的檢測和狀態(tài)設置的確認。據悉，量子衛(wèi)星發(fā)射是酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心執(zhí)行的第76次發(fā)射任務，為了保證量子衛(wèi)星的發(fā)射任務順利完成，各方均做好了充足準備。

業(yè)內人士認為，量子科學實驗衛(wèi)星的研制與發(fā)射，有助于產生新的科學機遇，開拓新的科