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【四川日报】跨越500公里 星地将深情“握手”
作者: 发布时间:2016-08-23 阅读次数:

  8月16日凌晨,全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”成功升空。它的星际旅途,承担着人类有史以来首次探索星地量子通信可能性的使命,并在空间尺度验证量子理论的真实性。 

  在这场伟大的探索中,量子卫星将与地面望远镜“你来我往”互发信号,当第一次收到彼此信号并给出反馈时,星地光路对接才宣告完成,相关实验才能开始。 

  地面站望远镜如何与量子卫星进行“联系”?最大的难度在哪里?背后又有哪些故事?8月17日,记者走进成都市双流区光电大道1号,探访承担地面站望远镜研制任务的中国科学院光电技术研究所。 

  如何“握手” 

  建立星地量子通信信道 

  前一天深夜,黄永梅才从甘肃回到成都。作为量子卫星科学实验系统地面望远镜系统技术总指挥,她在酒泉卫星发射中心见证了“墨子号”的发射。谈及地面望远镜在这场天地一体化量子实验中的作用,她认为,只有通过望远镜的精确跟踪,地面站才能获得来自量子卫星的信号光数据。 

   2011年,中国科学院启动了空间科学战略性先导科技专项——量子科学实验卫星。2013年,中科院光电所承担该项目的地面望远镜研制工作。随后两年多,为了满足实验需求,中科院光电所在青海德令哈和新疆南山新研制了两台望远镜,在云南丽江和河北兴隆改造了两台望远镜,4台望远镜口径均在1米以上。 

  在此之前的2008年到2012年之间,中科院光电所与中科大一起,开展了空间尺度量子实验关键技术研究与验证试验,研制出口径700毫米和400毫米的量子通信望远镜。在青海湖完成了全球首次百公里量子密钥分发、百公里量子纠缠对分发实验。 

  由于光子在光纤里传输距离有限,地面自由空间通信又受到地面障碍物、地表曲率、地面气象等条件的种种限制,要在更大的距离和范围内开展量子密钥分发和量子纠缠实验,光靠地面不可能完成,必须建立星地量子通信信道。 

  未来,借助量子卫星和国内的4台地面望远镜,以及远在奥地利的一个地面站,我国将实现千公里级的量子纠缠实验和跨洲际的量子密钥分发。 

  最难之处 

  500公里移动“打靶” 

  然而,地面望远镜与卫星之间精准对接的条件极其苛刻。 

  地面望远镜系统软件分系统负责人、来自中科院光电所的贺东介绍,量子卫星成功发射并调整好运行轨道后,将在距地面500公里的近地轨道以每秒超过7公里的速度飞行,通过每一个地面站接收点的空域时间一共只有5分钟左右。对每一个接收点而言,一天只有一次和卫星进行通信连接的机会。 

  为了把握住这次机会,首先要“打得准”。当望远镜发现卫星将从地面站上空经过时,地面站将发射一束激光光束,准确覆盖到移动中的卫星所在区域。然后是“抓得稳”,卫星在接收到激光信号后,会再反馈另一束激光信号给地面站,地面站要对这束反馈的信号进行准确捕获跟踪。至此,一次光路对接任务就算完成,具备了进行进一步实验的前提。 

  在贺东看来,最难的还是“对准”。以“打靶”为例,今年里约奥运会10米气步枪决赛,如同“要打中一颗10米外的绿豆”。而地面望远镜与卫星信号光“握手”的难度,是真正的“针尖对麦芒”,相当于瞄准一个500公里外的目标射击,最终的误差不能超过50厘米,而且靶子还是移动的。 

   克服种种技术困难,中科院光电所在全球首次实现在同一台望远镜上完成量子通信、相干激光通信的实验任务以及天文观测任务,其中跟踪精度、指向精度和信号光高保偏等,达到国际领先水平。 

  首次“握手” 

  最多3个月内实现 

  由于单光子不可分割、不能精确地对光子的状态进行测量、量子不可克隆等量子基本特性,决定了由量子通信建立起的秘密无法被破解。得益于这种“绝对安全”,通过量子通信可以从根本上解决国防、金融、政务、商业等领域的信息安全问题。如果我国的量子科学实验卫星任务进展顺利,这一切将在不久之后实现。而实现,离不开工作在3000米高原上的普通科技工作者。 

  贺东扳着指头算,从去年5月进行望远镜安装调试到现在,他一共在不同的地面站待了8个月,最长的一次待了一个月。那次是去年底,在德令哈,望远镜验收交付前,大家主要的状态是等天晴、等云散。天气条件具备的时候,白天安装,晚上测量调试到凌晨,每天工作18个小时。 

  过两天,贺东又将启程去地面站,和望远镜一起工作。根据实验系统设计,“墨子号”有可能在发射之后的3天左右,首次尝试向地面站发送信号,而最多3个月内,量子卫星将调整好轨道,与地面站之间完成首次“握手”,贺东将见证这个时刻。 

  像贺东这样,在中科院光电所内参与地面望远镜研制的团队约20人,其中“80后”占大部分。中科院光电所党委书记、地面望远镜系统行政总指挥杨虎说,尽管眼下量子卫星在一夜之间成为最热门话题,但基础科学的突破绝不可能在“一夜之间”。地面望远镜经过了3年左右的艰苦研发和改进,才达到实验所需水准,而此前,中科院光电所已积累了相关技术超过40年。 

 
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