墨子號(hào)成功發(fā)射 經(jīng)過(guò)十三年準(zhǔn)備“墨子號(hào)”終于成功升空
“墨子號(hào)”是世界上首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星。量子衛(wèi)星首席科學(xué)家、中科院院士潘建偉說(shuō)，給它起名“墨子”，是因?yàn)槟邮紫韧ㄟ^(guò)小孔成像實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了光沿直線(xiàn)傳播，而且他也提出了某種意義上的“粒子論”。
帶著中國(guó)先賢的名字，這顆衛(wèi)星于凌晨發(fā)射至高度為500公里的預(yù)定軌道。半夜發(fā)射一顆太陽(yáng)同步衛(wèi)星，是為了保證它每次飛過(guò)中國(guó)上空都在夜間，夜間試驗(yàn)可以規(guī)避光線(xiàn)干擾。
那么，量子衛(wèi)星的前世今生是什么?它是否會(huì)成為世界量子通信研究領(lǐng)域最亮的“星”?
量子衛(wèi)星設(shè)想由來(lái)已久
“2003年，我們想到，為了真正實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子通訊，可能需要衛(wèi)星。”8月15日，東風(fēng)航天城的東風(fēng)賓館，潘建偉面對(duì)媒體回憶起量子衛(wèi)星想法的誕生。
那時(shí)，距離潘建偉在中國(guó)建立第一個(gè)光量子操縱實(shí)驗(yàn)室，僅僅兩年。
量子有許多神奇的特性，其中之一就是“糾纏”。對(duì)處于糾纏態(tài)的其中一個(gè)粒子進(jìn)行操作，會(huì)影響到另一個(gè)粒子。不管這兩個(gè)粒子相距多遠(yuǎn)，他們都有著不可思議的“心靈感應(yīng)”。
于是，量子隱形傳態(tài)的概念被提出：關(guān)于一個(gè)量子客體的全部信息在某個(gè)地點(diǎn)被掃描輸入，又能在一個(gè)新的地點(diǎn)重構(gòu)出來(lái)。
但是，傳遞處于糾纏態(tài)粒子的過(guò)程，充滿(mǎn)著噪音、散射和各種形式的其他干擾，任何一種干擾都會(huì)破壞隱形傳態(tài)所必需的精巧的量子關(guān)聯(lián)。比如，糾纏光子通過(guò)光纖傳輸，但光纖會(huì)吸收光，這大大限制了光子的傳輸距離。潘建偉說(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，但若要在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。“因此，要實(shí)現(xiàn)覆蓋全球的廣域量子保密通信，還需要借助衛(wèi)星的中轉(zhuǎn)。”
通過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)，量子隱形傳態(tài)的距離紀(jì)錄被中外科學(xué)家一再刷新。
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。
2007年開(kāi)始，潘建偉與中科院一些機(jī)構(gòu)合作，做地面驗(yàn)證。2010年，他們論證了發(fā)射衛(wèi)星的可能性;2011年底，量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星項(xiàng)目正式立項(xiàng)。
困難全都得自己解決。
“墨子號(hào)”常務(wù)副總師兼衛(wèi)星總指揮王建宇說(shuō)，他的工作就是幫助科學(xué)家夢(mèng)想成真。“2011年到今天，我們經(jīng)歷了原理樣機(jī)、初樣、正樣幾個(gè)階段的努力。因?yàn)槭菄?guó)際上第一顆量子衛(wèi)星，毫無(wú)參照。以前有些衛(wèi)星任務(wù)，多少能找到參考，在國(guó)際做法的基礎(chǔ)上改進(jìn)。但量子衛(wèi)星的困難全得自己解決。”
王建宇舉了一個(gè)難點(diǎn)：“首先，衛(wèi)星微弱的光發(fā)下來(lái)，地面要收到。一千公里遠(yuǎn)，0.7個(gè)角秒，對(duì)不準(zhǔn)不行，而且地面要收到每一個(gè)光子。因?yàn)楣獾木幋a是偏振狀態(tài)，我們不但要收到光子，還要完美檢測(cè)偏振狀態(tài)，才能變成密碼。”
王建宇打比方說(shuō)，這就相當(dāng)于人坐在萬(wàn)米高空的飛機(jī)，向下扔一連串硬幣，要扔進(jìn)一個(gè)慢慢旋轉(zhuǎn)的儲(chǔ)幣罐的縫里。必須瞄準(zhǔn)好，因?yàn)橛矌判绷艘餐恫贿M(jìn)去。而且，“密鑰分發(fā)時(shí)候，每秒鐘要接收1億個(gè)光子。這些光子的次序還不能搞錯(cuò)，搞錯(cuò)就白收了。”王建宇說(shuō)。
接受光子的望遠(yuǎn)鏡的靈敏度，相當(dāng)于月球上劃一根火柴，地球上就要測(cè)到。而潘建偉則比作：在地球上能看清木星衛(wèi)星上的車(chē)牌號(hào)。
“衛(wèi)星上發(fā)出一對(duì)糾纏光子，要兩個(gè)站同時(shí)收到，國(guó)際上從未做過(guò)。”王建宇說(shuō)，“美國(guó)人做過(guò)一個(gè)點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)。他們是強(qiáng)光通信，要用強(qiáng)光引導(dǎo)。我們是弱光通信，用5種光，還要區(qū)分出來(lái)。”
潘建偉坦言，衛(wèi)星研制過(guò)程中，遇到了各種難題，很難說(shuō)哪個(gè)困難最大。他透露，在衛(wèi)星設(shè)計(jì)過(guò)程中，他們也有過(guò)重要的調(diào)整。“宇宙中有很多高能粒子，我們的衛(wèi)星要接受地面信號(hào)，需要紅外探測(cè)器在宇宙環(huán)境中，單光子水平下長(zhǎng)時(shí)間工作。西歐給出的測(cè)試報(bào)告，說(shuō)探測(cè)器可以經(jīng)受高能粒子打擊。結(jié)果我們?nèi)ヲ?yàn)證，1個(gè)星期探測(cè)器就被打壞了。于是，我們就想將軌道搞低一點(diǎn)，避開(kāi)高能粒子，但作用有限。后來(lái)我們又用了一種辦法，讓探測(cè)器即使身處高能粒子打擊下，還能工作1年以上。”
