墨子精神的傳承
——量子衛(wèi)星誕生機(jī)

+ 演講者：陳有梅（中科院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院 “墨子號(hào)”衛(wèi)星結(jié)構(gòu)主任設(shè)計(jì)師）

墨子不僅是一個(gè)思想家，軍事家，還是一個(gè)科學(xué)家。戰(zhàn)國(guó)初期，他和學(xué)生做了第一個(gè)小孔成像實(shí)驗(yàn)，奠定了光的直線傳播理論，同時(shí)也是一個(gè)量子論的原型。

世界上首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”在2016年8月16日發(fā)射升空，距離墨子的小孔成像實(shí)驗(yàn)跨越了2400多年。

我們之所以以“墨子”這位古代先賢的名字為衛(wèi)星命名，也是對(duì)中國(guó)傳統(tǒng)文化的一份自信與敬意。還有一方面的意義是賦予團(tuán)隊(duì)，以墨子的科學(xué)匠人精神打造世界上首顆量子衛(wèi)星。

工程研制難度

2011年，量子衛(wèi)星工程正式啟動(dòng)，經(jīng)過(guò)五年的研制，于2016年發(fā)射并交付使用。

五年才研制出一顆衛(wèi)星，真的有那么難嗎？真的有，以一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)為例——星地光路對(duì)準(zhǔn)。

衛(wèi)星與地面站建立高精度光鏈路，是開(kāi)展量子通信實(shí)驗(yàn)的前提。衛(wèi)星在軌道上以宇宙速度7.9km/s的速度飛行，而地面站隨著地球的轉(zhuǎn)動(dòng)大概以0.46km/s的速度轉(zhuǎn)動(dòng)。要求衛(wèi)星上的兩束光同時(shí)對(duì)準(zhǔn)地球上的兩個(gè)地面站，就好比坐在高速飛行的飛機(jī)上，往地面上一個(gè)易拉罐大小的洞口里扔硬幣，難度可想而知，完全是針尖對(duì)麥芒的精度要求。

圖1：“墨子號(hào)”從星空向地面發(fā)出兩道光，宛如兩條長(zhǎng)腿向前邁出一大步，這也象征著量子通信向?qū)嵱妙I(lǐng)域邁出一大步。

但是工程團(tuán)隊(duì)做到了。圖1左側(cè)，是“墨子號(hào)”衛(wèi)星與南山阿里地面站和興隆地面站建立的光路連接。值得驕傲的是，最初設(shè)置的跟蹤精度目標(biāo)是3.6個(gè)微弧度，實(shí)際上在軌實(shí)現(xiàn)的精度是2.5個(gè)微弧度。

團(tuán)隊(duì)是怎么實(shí)現(xiàn)這個(gè)方案呢？我們首先讓衛(wèi)星飛到第一個(gè)地面站上空，通過(guò)衛(wèi)星的姿態(tài)調(diào)整初步對(duì)準(zhǔn)和跟蹤地面站，再通過(guò)衛(wèi)星上的一臺(tái)載荷設(shè)備來(lái)精確對(duì)準(zhǔn)，然后通過(guò)衛(wèi)星上第二臺(tái)能夠大范圍機(jī)動(dòng)的載荷設(shè)備實(shí)現(xiàn)第二個(gè)地面站的對(duì)準(zhǔn)跟蹤，在國(guó)際上我們也是首次實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星上兩臺(tái)設(shè)備，同時(shí)對(duì)準(zhǔn)兩個(gè)地面站，最終實(shí)現(xiàn)2.5個(gè)微弧度的對(duì)準(zhǔn)精度。

“墨子號(hào)”衛(wèi)星成功發(fā)射后：

· 衛(wèi)星發(fā)射成功入選了《環(huán)球科學(xué)》的十大新聞，以及中國(guó)的十大科技進(jìn)展。

· 華爾街日?qǐng)?bào)發(fā)表《沉寂了一千年，中國(guó)誓回發(fā)明創(chuàng)新之顛》的專(zhuān)題報(bào)道。

· 2017年習(xí)總書(shū)記的新年賀詞中提到了“墨子號(hào)”飛向太空。

此外還有光子的偏振態(tài)的星地傳輸及檢測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)，也是難度極大的科學(xué)與工程實(shí)踐的雙重挑戰(zhàn)。以潘建偉為首的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)與微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院的衛(wèi)星工程團(tuán)隊(duì)，用三年時(shí)間對(duì)三大關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，為后續(xù)“墨子號(hào)”完成三大科學(xué)任務(wù)鑄造了堅(jiān)實(shí)的階梯。

只要你敢想，我們就敢做！

“（這項(xiàng)成果）兼具潛在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用和基礎(chǔ)科學(xué)研究重要性的重大技術(shù)突破”。

——《Science》雜志審稿人

“‘墨子號(hào)’開(kāi)啟了全球量子通信空間量子物理技術(shù)的大門(mén)，搶占了量子科學(xué)創(chuàng)新的一個(gè)制高點(diǎn)，成為國(guó)際同行的一個(gè)標(biāo)桿，實(shí)現(xiàn)成為領(lǐng)跑者的一個(gè)轉(zhuǎn)變?！?/p>

——中國(guó)科學(xué)院院長(zhǎng)白崇禮

“雖然第一艘宇宙飛船和第一顆人造衛(wèi)星是蘇聯(lián)做出來(lái)的，但是第一個(gè)登月的卻是美國(guó)。同樣在量子通信領(lǐng)域，只要我們努力肯定也能超過(guò)中國(guó)?！?/p>

——美國(guó)同行

“墨子號(hào)”圓滿完成三大科學(xué)任務(wù)

任務(wù)一：量子糾纏分發(fā)。

2017年的6月，“墨子號(hào)”衛(wèi)星將糾纏光子分別發(fā)到德令哈和麗江，這兩個(gè)地面站相聚1200公里，此后地面站進(jìn)行了貝爾測(cè)量，驗(yàn)證了其糾纏效應(yīng)和貝爾不等式，標(biāo)志著第一大科學(xué)任務(wù)“量子糾纏分發(fā)”的完成。相關(guān)結(jié)果在《Science》雜志上以封面的形式發(fā)表，轟動(dòng)全球科學(xué)界。

任務(wù)二：星地量子密鑰分發(fā)。

任務(wù)三：地星量子隱形傳態(tài)。

2017年8月，研究團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次成功實(shí)現(xiàn)星地量子密鑰分發(fā)和地星量子隱形傳態(tài)。星地高速量子密鑰分發(fā)——衛(wèi)星發(fā)射量子信號(hào)，地面接收，即“下行鏈路”。地星量子隱形傳態(tài)——地面發(fā)射糾纏光子、衛(wèi)星在天上接收，即“上行”鏈路。這兩項(xiàng)任務(wù)在實(shí)際應(yīng)用中互為補(bǔ)充，共同構(gòu)成了量子通信的兩個(gè)方面。

值得一提的是，由于外太空幾乎真空因而光信號(hào)損耗非常小，在1200公里通信距離上，星地量子密鑰的傳輸效率比同等距離地面光纖信道高20個(gè)數(shù)量級(jí)（萬(wàn)億億倍）。

兩項(xiàng)成果于8月10日同時(shí)在線發(fā)表在國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志上?！澳犹?hào)”衛(wèi)星三大科學(xué)任務(wù)完成，在國(guó)際上再次引起轟動(dòng)。

下一步構(gòu)想

為實(shí)現(xiàn)全球保密通信，科研團(tuán)隊(duì)計(jì)劃建立一個(gè)微納量子衛(wèi)星星座。組網(wǎng)所用的微納量子衛(wèi)星重量只有130公斤，與重630公斤“墨子號(hào)”相比，單星成本控制在千萬(wàn)量級(jí)，能夠極大地降低組網(wǎng)成本。此外，“墨子號(hào)”不能實(shí)現(xiàn)一個(gè)密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)的多次進(jìn)行或者全年的密集分發(fā)，而微納量子衛(wèi)星可以進(jìn)行每年5000次的密鑰分發(fā)，而且是直接成碼發(fā)射。微納量子衛(wèi)星星座的目標(biāo)是拓展量子密鑰通信應(yīng)用場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)全球化的量子保密通信，建立信息一體的量子通信網(wǎng)絡(luò)。

微納衛(wèi)星的搖籃

我在微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院工作的十一年來(lái)，參與了多顆微納衛(wèi)星的研制工作。有神舟七號(hào)飛船伴星、天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室伴星、稀薄大氣科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星、寬幅高光譜微納衛(wèi)星雙星……

而正在研制中的微納衛(wèi)星，除了量子星座外還包括：能夠讓普通人用手機(jī)控制衛(wèi)星的軟件定義星；計(jì)劃今年10月份發(fā)射的centispace全球?qū)Ш皆鰪?qiáng)系統(tǒng)，這是一個(gè)低成本的，高性能的微納平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度定軌、星間通信、大功率的能源獲取、雙組元高比沖推進(jìn)模塊等，并計(jì)劃建立120顆的低軌全球?qū)Ш叫腔鰪?qiáng)星座；探尋引力波的GECAM衛(wèi)星等。

未來(lái)的衛(wèi)星將是什么樣子？我們想說(shuō)：只要你敢想，我們就敢做！