發(fā)布時間： 2016年08月17日
2011年，中國科學(xué)院論證并啟動了空間科學(xué)先導(dǎo)專項。2011年底，量子科學(xué)實驗衛(wèi)星項目正式立項。鑄劍五載，如今，全球首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星已經(jīng)成功發(fā)射。
工程總體與六大系統(tǒng)
根據(jù)量子科學(xué)實驗衛(wèi)星的特點和實際需求，項目設(shè)置了工程總體和六大系統(tǒng)。
工程總體負(fù)責(zé)制定工程研制計劃，編制工程頂層文件，組織工程重大活動，協(xié)調(diào)系統(tǒng)間問題，同時對工程整個研制過程進(jìn)行監(jiān)督和管理。
六大系統(tǒng)分工明確：衛(wèi)星系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)衛(wèi)星平臺和有效載荷的研發(fā)。
運載火箭系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)運載火箭的研制和生產(chǎn)。
發(fā)射場系統(tǒng)選擇酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心主要承擔(dān)運載火箭和量子科學(xué)實驗衛(wèi)星的測試、發(fā)射任務(wù)，并提供地面技術(shù)支持與勤務(wù)保障。
測控系統(tǒng)負(fù)責(zé)對運載火箭主動段提供測控支持，向地面支撐系統(tǒng)傳輸原始遙測數(shù)據(jù)，接收地面支撐系統(tǒng)傳送的科學(xué)實驗數(shù)據(jù)并完成數(shù)據(jù)的上行發(fā)送和下行接收。
地面支撐系統(tǒng)負(fù)責(zé)提供實驗任務(wù)運行控制管理、數(shù)據(jù)接收、預(yù)處理、管理和歸檔等公用性支撐服務(wù)。
科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)負(fù)責(zé)整個量子科學(xué)實驗衛(wèi)星工程科學(xué)實驗計劃的制訂、科學(xué)實驗的實施、科學(xué)數(shù)據(jù)和應(yīng)用的處理傳輸存儲管理與發(fā)布。
關(guān)鍵技術(shù)
量子科學(xué)實驗衛(wèi)星需要在兩年的設(shè)計壽命中完成四大任務(wù)。這些任務(wù)將通過我國自主研發(fā)的星地量子通信設(shè)備完成，它能夠產(chǎn)生經(jīng)過編碼的，甚至是糾纏的光子并發(fā)射到地面上，與之對接的地面系統(tǒng)則負(fù)責(zé)“接收光子”，這種光子的發(fā)射與接收被稱為“針尖對麥芒”。
量子科學(xué)實驗衛(wèi)星飛行的過程中，攜帶的兩個激光器要分別瞄準(zhǔn)兩個地面站，向左向右同時傳輸糾纏光子。這就要求在飛行的過程中必須始終保證精確對準(zhǔn)，跟蹤要達(dá)到相當(dāng)高的精度，這也是國際上從來沒有人做過的。
為了讓穿越大氣層后光子的“針尖”仍能對上接收站的“麥芒”，量子科學(xué)實驗衛(wèi)星工程常務(wù)副總師兼衛(wèi)星總指揮、中科院上海技術(shù)物理所研究員王建宇帶領(lǐng)團(tuán)隊，與中科大教授潘建偉團(tuán)隊一道，從2012年起就開始進(jìn)行各種實驗——如收發(fā)距離40公里的轉(zhuǎn)臺實驗，與衛(wèi)星繞地運行的角速度一致；又如30公里距離的車載高速運動實驗，考驗超遠(yuǎn)距離“移動瞄靶”能力；再如熱氣球浮空平臺，在空地環(huán)境下模擬量子密鑰分發(fā)……
量子糾纏源的航天工程化也是量子科學(xué)實驗衛(wèi)星的一項關(guān)鍵技術(shù)。研究人員細(xì)化工程化指標(biāo)，提煉出窄線寬泵浦激光器的空間適應(yīng)性、高精度Sagnac干涉儀穩(wěn)定性以及空間光纖極化控制三大技術(shù)難點，最終明確了量子糾纏源及光接口的技術(shù)狀態(tài)，設(shè)計保證了關(guān)鍵技術(shù)的各項技術(shù)指標(biāo)。
此次，量子科學(xué)實驗衛(wèi)星將包含4個有效載荷，分別是量子密鑰通信機(jī)、量子糾纏發(fā)射機(jī)、量子糾纏源、量子實驗控制與處理機(jī)。這些都耗費了科學(xué)家和工程技術(shù)人員的大量時間和心血。
協(xié)同攻關(guān)
量子科學(xué)實驗衛(wèi)星的一個顯著特點是星上和地面協(xié)同完成科學(xué)實驗，即天地一體化實驗，而且科學(xué)實驗的數(shù)據(jù)流和指令流鏈路也較其他衛(wèi)星更為復(fù)雜。
在工程研制初期，雖然科學(xué)家團(tuán)隊對科學(xué)目標(biāo)和科學(xué)實驗都了如指掌，但是很多工程研制人員還是對在軌科學(xué)實驗流程感到困惑。由此由工程總體組織、科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)編制了《量子科學(xué)實驗衛(wèi)星工程天地一體化實驗流程分析報告》?？茖W(xué)家通過對實驗流程的不斷討論和細(xì)化，使得隊伍逐漸對科學(xué)實驗及其過程有了清晰認(rèn)識。
此次項目的工程研制任務(wù)除了研制一顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星外，還需研制生產(chǎn)一發(fā)長征二號丁運載火箭，由航天科技集團(tuán)第八研究院負(fù)責(zé)建造。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)作為科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)總體，全面承擔(dān)起規(guī)劃和建設(shè)工作，從總概算到建設(shè)流程作了周密部署；中科院國家天文臺作為量子科學(xué)實驗衛(wèi)星科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)的參研單位，主要負(fù)責(zé)地面站建設(shè)和改造分系統(tǒng)工作；國家天文臺設(shè)計并參與建設(shè)了適用于量子科學(xué)實驗衛(wèi)星觀測的地面站系統(tǒng)；中科院光電技術(shù)研究所新研制的南山和德令哈地面站1.2米口徑望遠(yuǎn)鏡和改造的興隆和云南的兩臺米級望遠(yuǎn)鏡，是量子通信系統(tǒng)的核心組成部分。
此外，團(tuán)隊在國際上首次研制完成寬光譜、高效率、高保偏、高精度的望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)和速度動態(tài)范圍大、抗擾能力強(qiáng)的望遠(yuǎn)鏡伺服控制系統(tǒng)以及工作狀態(tài)可配置的望遠(yuǎn)鏡操控系統(tǒng)，在同一臺望遠(yuǎn)鏡上可同時完成量子通信、相干激光通信的實驗任務(wù)以及天文觀測任務(wù)，不少指標(biāo)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。
然而，這是一條沒有盡頭的征途。中國還將發(fā)射多顆衛(wèi)星，計劃到2020年，實現(xiàn)亞洲與歐洲的洲際量子密鑰分發(fā)，建成連接亞洲與歐洲的洲際量子通信網(wǎng)；到2030年左右建成全球化的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)。
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四大實驗：
科學(xué)與實用的雙重“呼喚”
量子科學(xué)實驗衛(wèi)星一方面尋求量子理論在信息學(xué)和通信學(xué)方面最新成果在宏觀大尺度上的應(yīng)用，促進(jìn)廣域乃至全球范圍量子通信的最終實現(xiàn)；另一方面將在宏觀大尺度上對量子理論本身展開實驗檢驗，在更深層次上為認(rèn)識量子物理的基礎(chǔ)科學(xué)問題、拓寬量子力學(xué)的研究方向作出重要貢獻(xiàn)，促進(jìn)整個物理學(xué)的發(fā)展。
為實現(xiàn)科學(xué)目標(biāo)，須借助于衛(wèi)星平臺，在廣域范圍開展4項重要的科學(xué)實驗：
1.星地高速量子密鑰分發(fā)實驗
星地高速量子密鑰分發(fā)實驗的目的是在高精度捕獲、跟蹤、瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的輔助下，在實現(xiàn)地面與衛(wèi)星之間建立超遠(yuǎn)距離的量子信道的基礎(chǔ)上，進(jìn)行衛(wèi)星與地面之間、基于誘騙態(tài)和基于糾纏的量子密鑰生成和分發(fā)，實現(xiàn)衛(wèi)星與地面之間以量子密鑰為核心的絕對安全的保密通信實驗，從而為建立全球范圍的量子通信網(wǎng)絡(luò)打下技術(shù)基礎(chǔ)。
2.廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)實驗
近年來，隨著光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，通過星地量子密鑰分發(fā)過程組建真正的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為可能。這一實驗將在實現(xiàn)高速星地量子密鑰分發(fā)的基礎(chǔ)上，與兩個光學(xué)地面站及其附屬的兩個局域光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，通過衛(wèi)星中轉(zhuǎn)的方式組建真正意義上的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)。
3.星地量子糾纏分發(fā)實驗
衛(wèi)星上的量子糾纏光源同時向兩個地面站分發(fā)糾纏光子，在完成量子糾纏分發(fā)后，對糾纏光子同時進(jìn)行獨立的量子測量。通過對千公里量級量子糾纏態(tài)的觀測，開展空間尺度量子力學(xué)完備性檢驗的實驗研究。
4.地星量子隱形傳態(tài)實驗
量子隱形傳態(tài)是一種全新的通信方式，是量子網(wǎng)絡(luò)與量子計算的基本過程。地星量子隱形傳態(tài)實驗將在量子存儲的幫助下，探索衛(wèi)星與地面之間遠(yuǎn)距離的真正意義及量子隱形傳態(tài)的可行性，研究爭取在類空間條件下完成量子力學(xué)非定域性的實驗檢驗。
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