“墨子號”是這樣煉成的

當(dāng)大多數(shù)人仍致力于實驗室內(nèi)部的原理性演示時，潘建偉團隊已經(jīng)開始思考如何能夠在太空中實現(xiàn)量子信息傳輸

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年年底，量子科學(xué)實驗衛(wèi)星項目正式立項。這既意味著中國科學(xué)家向完全自主研發(fā)世界首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星發(fā)起挑戰(zhàn)，更意味著中國或?qū)⑾扔跉W美擁有量子通信覆蓋全球的能力。

十年歷程，鑄劍五載。雖然立項于2011年，但若從前期技術(shù)儲備就開始算起，這條路中國足足走了十多年之久。

十年積淀

量子通信和量子計算研究興起后，世界各地的物理學(xué)家都紛紛開始構(gòu)思可擴展量子信息處理網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)。在量子通信領(lǐng)域，當(dāng)大多數(shù)人仍致力于實驗室內(nèi)部的原理性演示時，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團隊已經(jīng)開始思考如何能夠在太空中實現(xiàn)量子信息傳輸，并早在2003年就初步構(gòu)建了量子科學(xué)實驗衛(wèi)星計劃。

在這一背景下，2005年，潘建偉團隊實現(xiàn)了13公里自由空間量子糾纏和密鑰分發(fā)實驗，證實光子穿透大氣層后，其量子態(tài)能夠有效保持，從而驗證了星地量子通信的可行性。在星地自由空間量子通信重大突破的跡象出現(xiàn)后，中科院高瞻遠矚，適時超常規(guī)啟動了兩個知識創(chuàng)新工程重大項目——“遠距離量子通信實驗研究”和“空間尺度量子實驗關(guān)鍵技術(shù)與驗證”。

在創(chuàng)新工程重大項目的支持下，潘建偉團隊實現(xiàn)了16公里自由空間量子隱形傳態(tài)，并與中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所、上海微小衛(wèi)星工程中心、中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所等研究機構(gòu)強強聯(lián)手，發(fā)展了一系列自由空間量子通信的關(guān)鍵技術(shù)，先后實現(xiàn)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，為實現(xiàn)星地量子通信奠定了堅實的科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)。

至此，星地量子通信的可行性已經(jīng)得到充分驗證。此時，中科院果斷決策啟動量子科學(xué)實驗衛(wèi)星工程立項論證，并將其列為空間科學(xué)先導(dǎo)專項的內(nèi)容。

工程總體與六大系統(tǒng)

量子科學(xué)實驗衛(wèi)星的科學(xué)目標(biāo)是開展星地高速量子密鑰分發(fā)實驗，并在此基礎(chǔ)上進行廣域量子密鑰網(wǎng)絡(luò)實驗，以期在空間量子通信實用化方面取得重大突破；在空間尺度進行量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)實驗，開展空間尺度量子力學(xué)完備性檢驗的實驗研究。

對于科學(xué)衛(wèi)星來說，有效載荷的配置尤為重要，直接關(guān)系到能否將科學(xué)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為工程指標(biāo)，并實現(xiàn)科學(xué)目標(biāo)。

為了滿足量子科學(xué)實驗衛(wèi)星的科學(xué)目標(biāo)要求，工程對有效載荷配置和指標(biāo)要求進行了綜合分析和論證，邀請領(lǐng)域?qū)＜疫M行討論和評定，經(jīng)過兩次科學(xué)目標(biāo)和有效載荷配置評審后，才最終確定了星上載荷配置。

之后，工程各系統(tǒng)根據(jù)衛(wèi)星可行性方案開展了系統(tǒng)可行性論證，完成并通過了立項綜合論證，進而明確了工程研制任務(wù)：研制一顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星，研制生產(chǎn)一發(fā)長征二號丁運載火箭，在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心將衛(wèi)星發(fā)射至高度為500公里的預(yù)定軌道。同時建設(shè)以4個量子通信地面站和1個空間量子隱形傳態(tài)實驗站為核心的天地一體化量子科學(xué)實驗系統(tǒng)。

隨后，借鑒以往衛(wèi)星工程管理經(jīng)驗，同時也根據(jù)量子科學(xué)實驗衛(wèi)星的特點和實際需求，設(shè)置了工程總體和六大系統(tǒng)，包括衛(wèi)星系統(tǒng)、運載火箭系統(tǒng)、發(fā)射場系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、地面支撐系統(tǒng)和科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)。

工程總體負責(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)主要負責(zé)衛(wèi)星平臺和有效載荷的研發(fā)，載荷包括量子密鑰通信機、量子糾纏發(fā)射機、量子糾纏源和量子實驗控制與處理機；運載火箭系統(tǒng)主要負責(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)射中心作為量子科學(xué)實驗衛(wèi)星的發(fā)射場，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)負責(zé)對運載火箭主動段提供測控支持，對衛(wèi)星平臺實施測控及長期運行管理，支持開展科學(xué)實驗，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)，是連接科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)和測控系統(tǒng)的紐帶，任務(wù)要求包括實驗數(shù)據(jù)接收、實驗任務(wù)運控管理、數(shù)據(jù)預(yù)處理與歸檔管理和地面通信網(wǎng)絡(luò)支持等；科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)負責(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，其系統(tǒng)配置為：1個中心——合肥量子科學(xué)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——阿里量子隱形傳態(tài)實驗平臺。

關(guān)鍵技術(shù)

作為我國自主研發(fā)的星地量子通信設(shè)備，量子科學(xué)實驗衛(wèi)星突破了一系列高精尖技術(shù)，既包括“針尖對麥芒”的星地光路對準(zhǔn)、偏振態(tài)保持與星地基矢校正、量子糾纏源等工程級關(guān)鍵技術(shù)，也包括與有效載荷相關(guān)的多項先進技術(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)：星地高速量子密鑰分發(fā)實驗、廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)實驗、星地量子糾纏分發(fā)實驗和地星量子隱形傳態(tài)實驗。這些實驗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”。

這并不是一件容易的事情。量子科學(xué)實驗衛(wèi)星十分復(fù)雜，在它飛行的過程中，攜帶的兩個激光器要分別瞄準(zhǔn)兩個地面站，向左向右同時傳輸量子密鑰。這就要求在飛行的過程中必須始終保證精確對準(zhǔn)，跟蹤要達到相當(dāng)高的精度，這也是國際上從來沒有人做過的。

“激光器一站對一站的有人做過，但是一顆衛(wèi)星對準(zhǔn)兩個地面站的從來沒有過，而且還要保證對得準(zhǔn)確……如果能夠做到的話，在國際上也是第一次做這么高精度的跟蹤和地面站配合。”中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心主任、空間科學(xué)先導(dǎo)專項科學(xué)衛(wèi)星工程常務(wù)副總指揮吳季說。

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)物理所王建宇研究員帶領(lǐng)團隊，與潘建偉團隊一道，從2012年起就開始進行各種實驗——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)……

此外，單顆衛(wèi)星的量子通信還只是最簡單的點對點的信息傳遞。加上白天強烈的日光背景，目前的星地量子通信還只能在夜間進行，這就進一步限制了星地量子通信的效率。由于量子科學(xué)實驗衛(wèi)星的在軌設(shè)計壽命僅為兩年，因此任務(wù)十分緊迫。除了星地光路對準(zhǔn)，星地鏈路偏振態(tài)保持與基矢校正也是另一個技術(shù)難點。為了突破這一瓶頸，研究人員首先通過載荷模樣機研制，驗證偏振性能，確定分色片等關(guān)鍵部件的技術(shù)狀態(tài)；再進行地面站偏振保持方案原理驗證，確定復(fù)核基矢校正計算算法；然后確定基矢測量受外界條件影響方式以及搭建地面站模擬終端進行載荷樣機與地面站模擬終端聯(lián)合試驗等方式和渠道，終于明確了偏振態(tài)保持和基矢校正關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)方案和技術(shù)狀態(tài)，并有效驗證了關(guān)鍵技術(shù)的各項技術(shù)指標(biāo)，確認其能夠滿足科學(xué)目標(biāo)的需求。

量子科學(xué)實驗衛(wèi)星的科學(xué)目標(biāo)之一是量子糾纏分發(fā)實驗，在軌需要在星上制備高亮度糾纏光源，并將產(chǎn)生的糾纏光子對通過量子密鑰通信機和量子糾纏發(fā)射機同時向兩個地面站發(fā)射。

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)。研究人員從糾纏源亮度、對比度、中心波長和光學(xué)接口指標(biāo)幾個方面著手，細化工程化指標(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，通過模樣機的研制以及單模、保偏兩種光纖極化控制方案的并行攻關(guān)，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)，且具有較大的裕度，滿足科學(xué)任務(wù)的需求。

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、量子糾纏發(fā)射機、量子糾纏源、量子實驗控制與處理機。而針對這4個載荷的技術(shù)攻關(guān)，也耗費了科學(xué)家和工程技術(shù)人員的大量時間和心血。在高質(zhì)量量子光束及低損耗鏈路技術(shù)方面，科學(xué)家們開展了近衍射極限量子光發(fā)射技術(shù)研究，理論分析了光纖出射光經(jīng)過準(zhǔn)直鏡發(fā)射遠場分布。分析表明，通過增大出射口徑、提高光學(xué)質(zhì)量等手段可優(yōu)化發(fā)散角。

于是，技術(shù)人員選擇采用一定口徑和焦距的光學(xué)系統(tǒng)進行實驗室試驗驗證，最終實現(xiàn)了小于15urad的量子光發(fā)射發(fā)散角，并接近衍射極限。

在快速指向鏡研制及超前瞄準(zhǔn)技術(shù)方面，研究人員完成了自行研制快反鏡的詳細設(shè)計，進行了關(guān)鍵參數(shù)計算分析及系統(tǒng)建模，并完成了重要部件選型。產(chǎn)品指標(biāo)為指向范圍大于6mrad，固有頻率大于1kHz。

在高亮度糾纏源技術(shù)方面，研究人員成功研制了高亮度量子糾纏源載荷單機，指標(biāo)滿足要求，并成功模擬了高損耗的量子糾纏分發(fā)實驗。實驗數(shù)據(jù)顯示，以目前量子糾纏源產(chǎn)品的亮度和品質(zhì)，足以實現(xiàn)單邊鏈路損耗40dB的糾纏分發(fā)。

協(xié)同攻關(guān)

隨著量子科學(xué)實驗衛(wèi)星關(guān)鍵部件的成功交付，衛(wèi)星發(fā)射準(zhǔn)備就緒。但這一過程卻凝聚了科學(xué)家團隊和全體參研參試工程人員的心血。正是得益于工程隊伍的協(xié)同攻關(guān)、團結(jié)一致，才保障了項目的順利完成。

量子科學(xué)實驗衛(wèi)星不同于其他衛(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它衛(wèi)星更為復(fù)雜。在工程研制初期，雖然科學(xué)家團隊對科學(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)家團隊和工程各系統(tǒng)研制隊伍之間通過對天地一體化實驗流程的不斷討論和細化，接口關(guān)系和任務(wù)分工不斷明確，使得工程隊伍逐漸對科學(xué)實驗及其過程有了清晰的認識；并在工程正樣研制階段，通過大系統(tǒng)聯(lián)試進一步驗證了在軌科學(xué)實驗流程，以及系統(tǒng)間數(shù)據(jù)流和指令流的協(xié)調(diào)匹配性。

在研制過程中，各系統(tǒng)研制團隊通力合作，精益求精。衛(wèi)星系統(tǒng)在方案階段完成了星地光路對準(zhǔn)、星地鏈路偏振態(tài)保持與基矢校正、星上量子糾纏源三項關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，并通過了關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)評審；明確了衛(wèi)星的總體技術(shù)方案，完成了整星初樣設(shè)計，為工程實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

初樣階段，衛(wèi)星系統(tǒng)完成了結(jié)構(gòu)熱控星、電性星、鑒定星研制與試驗，同時完成了衛(wèi)星與運載、測控、地面支撐系統(tǒng)的對接試驗和星地光路對準(zhǔn)、量子密鑰分發(fā)、量子糾纏分發(fā)、量子隱形傳態(tài)四項地面驗證專項實驗，充分驗證了光軸對準(zhǔn)精度等關(guān)鍵指標(biāo)，科學(xué)實驗的功能與流程具備在軌開展科學(xué)實驗任務(wù)的能力。

正樣階段，衛(wèi)星系統(tǒng)以正樣星生產(chǎn)與試驗為主線，同時并行開展與其它系統(tǒng)接口對接試驗；2015年11月至2016年5月，整星陸續(xù)通過了桌面集成測試、真空熱試驗、EMC試驗、正弦振動試驗、噪聲試驗、帆板展開與光照試驗、精度復(fù)測等正樣環(huán)境試驗，并通過了科學(xué)任務(wù)流程演練和整星老練，各項試驗均滿足要求。

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，由航天科技集團第八研究院負責(zé)建造。對于預(yù)定軌道，火箭運載能力不小于650kg；運載火箭整流罩內(nèi)包絡(luò)的尺寸大于1600mm×1800mm×1800mm。

CZ-2D運載火箭在運載火箭梯隊素來有“金牌火箭”的美譽，曾26次執(zhí)行飛行任務(wù)，成功率達百分之百。然而每一次任務(wù)，航天八院還是當(dāng)作第一次生產(chǎn)和研制來對待，這一次也不例外，嚴(yán)格按照流程高質(zhì)量完成每一個環(huán)節(jié)的研制工作，并充分開展地面試驗和考核。

發(fā)射場系統(tǒng)和測控系統(tǒng)研制團隊有著多年豐富的航天發(fā)射和測控經(jīng)驗。團隊在面對量子科學(xué)實驗衛(wèi)星時仍然積極學(xué)習(xí)其特點和要求，全力配合開展適應(yīng)性改造；按照工程總體的規(guī)劃流程，組織完成了與各系統(tǒng)的初、正樣對接試驗，配合完成大系統(tǒng)聯(lián)試。

科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)是整個量子科學(xué)實驗計劃的大腦；與衛(wèi)星系統(tǒng)一起構(gòu)建天地一體化系統(tǒng)；還負責(zé)建設(shè)完成科學(xué)實驗任務(wù)所需的科學(xué)實驗中心、廣域量子密鑰應(yīng)用平臺、光學(xué)地面站和空間量子隱形傳態(tài)實驗站。

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，以及與協(xié)作單位協(xié)商和建設(shè)，都做了周密部署。

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，主要負責(zé)地面站建設(shè)和改造分系統(tǒng)工作，并參與總體集成與科學(xué)實驗中心分系統(tǒng)和新建望遠鏡分系統(tǒng)部分工作。

在地面站的建設(shè)過程中，國家天文臺充分利用其在天文觀測和野外臺站運行的經(jīng)驗，與科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)的科學(xué)目標(biāo)相結(jié)合，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)。

為提升量子科學(xué)試驗的自動化程度，國家天文臺為各個地面站研制了綜合控制系統(tǒng)，用于科學(xué)實驗計劃的導(dǎo)入、設(shè)備調(diào)度、科學(xué)數(shù)據(jù)采集和實驗參數(shù)實時反饋；并自主提出環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，為地面站運行和在軌實驗提供全天云圖、夜天光、溫濕度、氣壓、風(fēng)速和風(fēng)向等環(huán)境參數(shù)，保證設(shè)備安全運行和科學(xué)數(shù)據(jù)的有效性。

中科院光電技術(shù)研究所新研制的南山和德令哈地面站1.2m口徑望遠鏡和改造的興隆和云南的兩臺米級望遠鏡，是量子通信系統(tǒng)的核心組成部分。

在中科院光電所團隊的攻堅克難下，在地面大口徑望遠鏡接收量子信號光技術(shù)方面，團隊提出基于實時擾動估計的控制方法，突破了高動態(tài)范圍高精度望遠鏡機架控制技術(shù)，實現(xiàn)了對星上終端“針尖對麥芒”的穩(wěn)定跟瞄功能，望遠鏡的跟蹤精度和指向精度指標(biāo)遠遠優(yōu)于任務(wù)書的指標(biāo)要求。同時，望遠鏡在寬光譜光高效率傳輸技術(shù)以及量子糾纏和密鑰光的高保偏接收技術(shù)方面也有重大突破。

此外，團隊在國際上首次研制完成寬光譜、高效率、高保偏、高精度的望遠鏡光學(xué)系統(tǒng)和速度動態(tài)范圍大、抗擾能力強的望遠鏡伺服控制系統(tǒng)，以及工作狀態(tài)可配置的望遠鏡操控系統(tǒng)，在同一臺望遠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)，其中跟蹤精度、指向精度和信號光高保偏等，均達到國際領(lǐng)先水平。

地面支撐系統(tǒng)建設(shè)中的一個突出問題是面臨同時開展幾顆衛(wèi)星的研制、在軌測試和運行管理的局面。這就要求系統(tǒng)必須具有同時支撐多星的能力，并且也對技術(shù)系統(tǒng)、人員素質(zhì)都提出了更高的要求。

對此，地面支撐系統(tǒng)迎難而上，充分發(fā)揮主觀能動性，對系統(tǒng)業(yè)務(wù)軟件進行有效、合理的調(diào)整，采取“基礎(chǔ)平臺框架+各衛(wèi)星專用軟件”的體系結(jié)構(gòu)，從而確保了對每顆衛(wèi)星只需將部分軟件進行適應(yīng)性完善即可進行支撐。也就是說，今后不必再大規(guī)模重新建設(shè)支撐系統(tǒng)，可謂一勞永逸。

而對于多星同步支持問題，地面支撐系統(tǒng)在系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計階段就已充分考慮了這一需求。“整個系統(tǒng)具備多任務(wù)功能，支持多星，并可對未來任務(wù)進行擴展。同時，在人員和管理方面也進行針對性訓(xùn)練?！钡孛嬷蜗到y(tǒng)總指揮王樹志說。

從長遠來看，“要實現(xiàn)全球化量子通信，還需要長期的努力，特別是需要多顆衛(wèi)星的組網(wǎng)”，量子科學(xué)實驗衛(wèi)星科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)總師兼衛(wèi)星系統(tǒng)副總師、中國科大微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實驗室研究員彭承志表示。這條征途沒有盡頭。在首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星發(fā)射成功、衛(wèi)星組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)得以突破后，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)。