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圆满完成三大实验任务罗马新年:全球首颗量子通信卫星的昨天和明天

时间:2017-08-10 15:52 来源:http://www.bmeetg.com/ 作者:舟山新闻网 阅读:

  8月10日,中国科学技术大学潘建伟团队宣布,全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”圆满完成了三大科学实验任务:量子纠缠分发、量子密钥分发、量子隐形传态。

  1200公里的超远距离量子纠缠分发成果,1个月前曾登上顶级学术期刊《科学》的封面。这次,星地间的远距离量子密钥分发、量子隐形传态,又同时发表在另一顶级学术期刊《自然》上。

  今天,已在距离地球500公里的轨道上服役将近1年的“墨子号”收获了全世界的目光。它“昨天”的印记留在合肥的大蜀山、北京的八达岭、百余公里的青海湖,还有海拔5100米的西藏阿里。而对于 “明天”的全球量子通信星座网络来说,“墨子号”仅仅是个探路者。

圆满完成三大实验任务罗马新年:全球首颗量子通信卫星的昨天和明天

  2016年11月9日,在河北兴隆观测站,“墨子号”量子科学实验卫星过境,科研人员在做实验(合成照片)。新华社 资料图

  这次量子密钥分发论文的第一作者、中科大副研究员廖胜凯向澎湃新闻()感慨起往事:“我本科也学过量子力学,但说实话,很多地方不怎么能理解,学完后我就想,这个方向不太擅长,我以后就做个电子学工程师,估计不需要用到这些没太学懂的量子力学知识了。”

  蓦然回首,立志做电子学工程师的廖胜凯,进入他“没学懂”的量子力学领域,已经快十年了。

  量子隐形传态论文的第一作者、中科大副研究员任继刚,则更期待在基础研究方面的突破。他开玩笑道,美剧《生活大爆炸》里的理论物理学家谢尔顿“看不起”实验物理学家莱纳德,莱纳德又“看不起”工程师霍华德。完成“墨子号”的计划实验之后,任继刚希望用这样一个星地平台,测试更多激动人心的点子。

  “这个东西不可能”

  早在2003年左右,潘建伟就意识到,要构建一个实用化的全球量子保密通信网络,卫星是目前最可行的一个方案。这是因为,光子在地面光纤上的损耗率太大,而在星地之间,光子“走”的绝大部分路程接近真空。

  要把单光子从天下发下来,或者发到天上去。很多人都觉得这个太难了。廖胜凯在加入团队后,面对了无数的挑战,他把这个过程称为“打怪兽”:“来一个小怪兽就打小怪兽,来一个大怪兽就打大怪兽。”此时,廖胜凯深刻体会到了潘建伟在项目初期面临的压力。

  面对质疑,最好的回应就是实验结果。2005年,潘建伟、彭承志等人就在合肥大蜀山实现了13公里的量子纠缠分发。这个传输距离超过了大气层的等效厚度,证实了远距离自由空间量子通信的可行性。

  2011年,潘建伟团队又在青海湖实现了首个超过100公里的量子纠缠分发实验。任继刚回忆道,研究团队翻遍中国地图,发现在中国最大湖泊的中心恰有一个小岛。青海湖北岸到青海湖南岸,恰好是一百余公里的长度,湖面上也没有任何遮挡。

  在青海湖,潘建伟团队完成了全方位的卫星技术论证,包括气浮平台、模拟星地相对运动、百公里级量子密钥分发实验等。至此,卫星的基本问题已经解决,还需攻克一些工程化稳定性。

  2011年底,他们迎来了一个关键的节点——中科院空间科学先导专项将“量子科学实验卫星”正式立项。

  主要负责卫星载荷电子学的廖胜凯,描述了他们打过的其中一个“小怪兽”:“如果说光子损耗率是30dB的话,就是一千倍的损耗,天上发出1万个光子,地面上只能收到10个。但是,我们需要搞清楚地面这十个光子是天上发射的哪十个光子。这就要解决所谓时间上的同步问题。我们的发射频率是一百兆,也就是光子之间的时间间隔是10纳秒(1纳秒=1/1000000000秒)。这10纳秒内,真正发射光子的时间又不到1纳秒。也就是说,我们可以做到天地间纳秒级的时间同步,从而确定地面收到的光子与天上发射光子的对应关系,同时去除噪声。”

  “在论证的时候,其实别人都说这个东西不可能。从某种意义上来说,我们就是把很多不可能的东西,一步一步变成了可能的东西。”廖胜凯总结道。

  “如临深渊,如履薄冰”

  一位航天界的前辈曾告诉廖胜凯,“航天是越做越保守,如临深渊,如履薄冰。”

  一开始做卫星的原理样机时,廖胜凯还没有完全体会到这句话的含义。但越到后来,他越感同身受。

  卫星远在天外500公里,无法维修,能否圆满完成科学目标,都取决于地面上的设计与验证。为此,团队不得不在兼顾可靠性和稳定性的情况下,把指标“推向极致”。

  回想起青海湖上出现的种种问题,廖胜凯也觉得十分不易:“那时候非常担心设备到了天上要怎么办,有没有解决方法,会不会做不成。心里也一直不是很踏实。但一旦开始做了这个项目,虽然过程艰辛,但面对梦想,我们这个年轻的团队又都舍不得放弃。“

  他提到,在天上,卫星要面对远比地面复杂的境况。首先,地面的精密光学实验平台一般都较大,而设备的体积在卫星上是受到严格限制。其次,许多精密仪器很难承受住火箭发射时的振动。此外,太空中的温度极不稳定,而失去了地球大气层的保护,许多仪器在空间辐照的影响下会缩短寿命,甚至会被高能粒子击中而直接烧掉。

  不过,也幸好这是一支年轻的团队,才能吸收比较多的新东西,敢于创新。“要不是这样,我们很早就会被挡在门外,因为现有成熟的航天技术是无法支持这个实验。”廖胜凯说道。

  廖胜凯拿卫星上接收单光子的探测器举了个例子。美国做的天上单光子探测器的噪音,是我们需求的两个数量级以上,远远高于量子通信卫星能够接受的指标。其中,空间辐照,就造成了比较大的扰动。针对空间辐照,一个传统的思路就是用钽或铝板去“挡”。“一厘米厚的铝板可能把辐照降低50%,而降低到10%,则需要十厘米厚铝板,质量增加了十几千克,但与指标还差一个数量级。这是一个有效的办法,但也是有限的办法。”廖胜凯说道。

  为此,团队另辟蹊径,不是去“挡”这个噪声,而是利用降低探测器工作温度的方式,让噪声不在实验结果中体现出来。

  “墨子号”的原定发射时间,是2016年7月。然而,就在出厂前不久,团队发现其中一个激光器的功率下降了。“当时专列都已经安排好了,进场东西都打包了”,廖胜凯回忆道,“不过团队紧急分析讨论,不行,还是把它拆了,我们应该搞清楚,不能带着风险上天。”经过拆验后,团队发现是组装时的工艺应力问题。经过工艺调整后,“墨子号”最终于8月16号成功升空,这个激光器也始终运行良好。

  “要是它在天上功率出了问题,我们很可能就看不到图片上,从天上打下来的那道漂亮的绿光啦。”廖胜凯笑着说道。

  “无外乎是冷一点”

  在“墨子号”三大科学实验任务中,廖胜凯被分到量子密钥分发实验。而任继刚自2005年加入潘建伟团队以来,就一直参与量子隐形传态实验。

  2008年,潘建伟团队在北京八达岭完成了16公里的自由空间量子隐形传态。他们曾想效仿狼烟传信,在北京八达岭长城的烽火台上做实验,最终因为文物保护问题未能如愿,只能转战宾馆的楼顶

  在工程方面,任继刚面对的主要挑战,在于量子隐形传态,是“墨子号”三大实验中,唯一一个从地面向卫星发送光子的实验。

  “那两个实验(量子纠缠分发和量子密钥分发)是从天上往地下发,地面上是大口径的望远镜接收。这种大口径的望远镜,我们国家的技术已经比较成熟。”

  从卫星上下行的光束,先经过长距离的真空,再穿过最后十几公里的近地面大气层,光斑直径大约有十几米。此时产生一些扰动,对接收效果影响并不大。而从地面“上传”,光束会首先经过大气层的干扰。

  为此,团队挑选了阿里这个实验地点:海拔高,光束可以少“走”一些路,年均降水少,空气干燥,人类活动的干扰也少。但也因如此,团队不得不面临另一个挑战:较为恶劣的自然条件。

  负责地面站望远镜工程的任继刚,验收了5个地面站中的4个:2014年的河北兴隆站,2015年的新疆南山站和青海德令哈站,2016年的阿里站。

(责任编辑:舟山民生在线)

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