“墨子號”是怎樣煉成的

世界首顆量子科學實驗衛星成功發射
“墨子號”是怎樣煉成的

左圖 星罩組合體在酒泉衛星發射中心實施吊裝，與運載火箭對接。新華社發

右上圖 長征二號丁運載火箭成功將“墨子號”發射升空。經濟日報記者 佘惠敏 攝

2016年8月16日1時40分，我國在酒泉衛星發射中心用長征二號丁運載火箭成功將世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”發射升空。這將使我國在世界上首次實現衛星和地面之間的量子通信，構建天地一體化的量子保密通信與科學實驗體系。

為了這一天，中國的量子物理學家們，已經準備了10多年。

量子通信可以從根本上解決國防、金融、政務等多領域的信息安全問題，一直得到國際上的高度重視，各國間競爭非常激烈。“墨子號”的成功研製，不僅是中國量子保密通信領域“殺手锏”技術研發的重大突破，也是世界量子通信技術的重要創新，它有望使人類科技發展史上“最安全的通信手段”具備覆蓋全球的能力。

神器“墨子號”是怎樣煉成的？請看《經濟日報》記者從“墨子號”飛升的地方——酒泉衛星發射中心發回的報道。

科學家的夢想：

把量子實驗室搬上太空

説起中國的量子通信，有一個必須提到的名字——潘建偉。

這位1970年出生的量子物理學家，41歲當選中國“最年輕院士”，42歲獲得國際量子通信大獎，45歲成為國家自然科學獎一等獎最年輕的第一完成人。現在，作為首席科學家，他領銜研製的世界首顆量子科學實驗衛星已經飛上太空。

“把量子實驗室搬上太空的夢想，10多年前就已經開始。”中國科學技術大學教授、量子衛星首席科學家潘建偉告訴記者。

“量子物理正迎來一場新的革命，我們開始對量子進行精確調控，其意義就像生物學從豌豆遺傳規律發展到基因雙螺旋結構。”潘建偉説，自上世紀末以來，人類對自然界的能量最小單位“量子”的理解，開始突破往昔瓶頸。

在這場量子學革命的科學競賽中，很多個世界首次均來自於潘建偉領銜的“中國隊”。在國際上首次實現安全通信距離超過100公里的光纖量子密鑰分發、實現國際上首個全通型量子通信網絡、建成首個規模化量子通信網絡……“這標誌著中國在量子通信領域的崛起，從10年前不起眼的國家發展為現在的世界勁旅，將領先於歐洲和北美。”國際權威期刊《自然》雜誌曾如此感嘆。

量子通信的安全性基於量子物理的基本原理。作為光的最小粒子，每個光量子在傳輸信息的時候具有不可分割和不可被精確複製兩大特性，使得存在竊聽就一定會被發送者察覺並規避，從而保證了信息的安全。

“量子通信要真正實用化必須遠距離，但光子在光纖中隨著傳輸距離的增長，損耗越來越大。”潘建偉説，即使存在超出目前技術水平的10G赫茲理想單光子源和100%探測效率的理想單光子探測器，在1000公里光纖中進行點對點量子通信，每300年也只能傳輸一個比特。“而用上衛星中轉，現有技術就能1秒傳送100K，隨著技術進步，將來1M、10M都有可能。”

早在2003年，他就想到，為了真正實現遠距離量子通信，可以考慮用衛星。在這一背景下，2005年，潘建偉團隊實現了13公里自由空間量子糾纏和密鑰分發實驗，證實光子穿透大氣層後，其量子態能夠有效保持，從而初步驗證了星地量子通信的可行性。

2007年起，潘建偉團隊與中國科學院上海技術物理研究所、上海微小衛星工程中心、中國科學院光電技術研究所等研究機構強強聯手，發展了一系列自由空間量子通信的關鍵技術，先後實現了百公里級自由空間量子通信、星地量子通信的全方位地面驗證等重要實驗，充分驗證星地量子通信的可行性。2011年底，作為中國科學院空間科學先導專項首批科學實驗衛星中的一員，量子科學實驗衛星項目正式立項。

“針尖”對“麥芒”：

挑戰世界上最高的難度

“工程師的任務是技術實現，要把科學家的夢想變成現實。”量子衛星工程常務副總師兼衛星總指揮王建宇説。

量子科學實驗衛星是我國自主研發的星地量子通信設備，突破了一系列高精尖技術，包括“針尖對麥芒”的星地光路對準，偏振態保持與星地基矢校正，量子光源載荷等關鍵技術。

王建宇從2007年就開始加入量子衛星的研究。他是中科院上海分院副院長，原中科院上海技術物理研究所所長，作為光學遙感系統專家，他的團隊與潘建偉團隊合作，在遼闊美麗的青海湖畔實現了百公里級自由空間量子通信。

在2007年至2010年的關鍵技術攻關階段，研究團隊將量子密鑰産生的地方放在青海湖湖心島海心山上，從中間向兩邊分發。海心山無人居住，隊員們睡著帳篷，還要打死一批批前赴後繼的蛾子，它們甚至會飛進設備裏。有個女研究生，從看見蛾子就害怕，到變成一邊做實驗一邊面不改色把蛾子一隻只拍死的“殺手”。2009年時他們還曾經遭遇過一次翻車事故，主設備被摔成三截，年輕的隊員們毫不氣餒，在現場把所有設備修好，堅持把實驗做完。

2011年衛星正式立項後，更高的難度挑戰開始了。

“以前做衛星，多少能找到參考。但這個量子衛星的工作，是國際首次，完全沒有參考。”王建宇認為，最困難的環節就是天地一體化聯通。

按潘建偉等科學家的實驗設計要求，“墨子號”可不僅僅是天上的那顆衛星，它還包括地面系統：1個中心——合肥量子科學實驗中心，4個站——南山、德令哈、興隆、麗江量子通信地面站，1個平臺——阿裏量子隱形傳態實驗平臺。衛星和地面站之間，要做到最高精度的瞄準，和最靈敏的探測。

光量子非常小，它是光的最小單位，必須有極為靈敏的探測器，探測、分辨和收發一個個的光子；同時它又非常多，“墨子號”衛星每秒能分發1億光子；它們還姿態萬千，形成不同的量子編碼，我們不僅要收到光子，還要完美檢測每個光子的偏振狀態，檢測其正負、垂直、水平等各種狀態……

王建宇打了個比方：如果把光量子看成一個個1元硬幣，星地實驗就相當於要從萬米高空飛行的飛機上，不斷把上億個硬幣一個個投入地面上一個不斷旋轉的儲錢罐裏（偏振測量的基矢在變化），不但要求硬幣擊中儲錢罐（瞄準精度），而且要求硬幣準確射入罐子上細長的投幣口（偏振保持）。

為了讓穿越大氣層後光子的“針尖”仍能對上接收站的“麥芒”，王建宇團隊與潘建偉團隊一道，從2012年起開始進行各種實驗——收發距離40公里的轉臺實驗，要與衛星繞地運行的角速度一致；30公里距離的車載高速運動實驗，要考驗超遠距離“移動瞄靶”能力；熱氣球浮空平臺實驗，在空地環境下模擬量子密鑰分發……

這麼困難的“針尖”對“麥芒”，其關鍵技術最終被一一攻破，在十幾個研究所的幾百位科研人員的傾情投入中，衛星的初樣完成了。“目前的技術，相當於從地球上，看清木星衛星上的汽車牌照號碼。”潘建偉得意地説。

“墨子號”的未來：

量子互聯網的奠基之星

然而他們遇到的考驗並沒有結束。在衛星初樣完成後，研究人員把衛星的關鍵設備——單光子探測器送去歐洲做質子加速器輻照測試，卻發現此前地面實驗中，對太空高能粒子的破壞性估計不足。按原本預計發射的600公里軌道的太空高能粒子輻射量，單光子探測器僅堅持了一個星期就缺陷增多到無法使用的地步。

研究團隊緊急行動起來，三管齊下，終於解決了這個意料之外的嚴重問題。一是將衛星軌道從600公里降至500公里，這可降低一半輻射。二是增加探測器屏蔽厚度，這也是一個輔助措施。解決問題的關鍵是第三個措施，市面上現有的單光子探測器都無法滿足空間的高輻射環境要求，於是實驗團隊經過艱苦攻關，終於做出了降低單光子探測器工作溫度的宇航級探測器。

新的探測器經過了檢驗。“墨子號”量子衛星終於飛上太空，在500公里太陽同步軌道上亮相。它的質量約640千克，設計在軌運行壽命2年。

在這兩年間，“墨子號”將完成兩大主要任務：在國際上率先實現高速的星地量子通信，為量子的全球互聯網奠定基石；對量子物理基本問題進行空間尺度的檢驗，這會幫助科學家們加深對量子物理自身的理解。

這樣的“神器”已經吸引了各國的量子物理學家，歐洲美洲的量子物理學家們紛紛求合作。

“‘墨子號’將先由中國科學家做出第一批實驗成果，一年後再開始跟歐洲合作，進行世界範圍量子通信組網。”潘建偉透露，目前奧地利等國已和我們簽訂合作協議，加拿大也正與我國洽談合作事宜。

“墨子號”只是量子衛星的先驅，它的成功與否關係著一個更龐大計劃的進程。

我們還將發射功能更好、數量更多的量子衛星，它們將組成量子衛星的星座。就像目前的北斗星座為人們提供導航服務一樣，未來的量子衛星星座，會將量子保密通信技術普及到個人。那時，你再也不必擔心自己的網絡賬號被竊取、銀行卡資金被盜轉了。

“單顆低軌衛星無法覆蓋全球，同時由於強烈的太陽光背景，目前的星地量子通信只能在地影區也就是深夜進行，不能全時通信。要實現高效的全球化量子通信，還需要形成一個衛星的網絡。”潘建偉説，繼“量子科學實驗衛星”項目之後，團隊還將計劃開展空間站“量子調控與光傳輸研究”項目。該項目將研究星間量子通信技術、全天時量子通信技術等，同時進行量子密鑰組網應用、多種技術體制的空間激光通信驗證、量子密鑰分發與激光通信複合的加密信息傳輸系統等應用研究，為下一步的衛星組網奠定技術基礎。

“如果進展順利，有希望到2030年左右，建成全球化的廣域量子通信網絡。”潘建偉説，“隨著中國科技的迅猛發展，我相信量子通信將在不到10年的時間裏輻射千家萬戶。期盼在我有生之年，能親眼目睹以量子計算為終端、以量子通信為安全保障的量子互聯網的誕生。我相信中國科學家們做得到。”（記者 佘惠敏）