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圆满完成实验任务揭开全球首颗量子通信卫星身世之谜

来源:腾讯网作者:佚名 日期:2017-08-10 09:48

   8月10日,中国科学技术大学潘建伟团队宣布,全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”圆满完成了三大科学实验任务:量子纠缠分发、量子密钥分发、量子隐形传态。

 
  1200公里的超远距离量子纠缠分发成果,1个月前曾登上顶级学术期刊《科学》的封面。这次,星地间的远距离量子密钥分发、量子隐形传态,又同时发表在另一顶级学术期刊《自然》上。
 
  今天,已在距离地球500公里的轨道上服役将近1年的“墨子号”收获了全世界的目光。它“昨天”的印记留在合肥的大蜀山、北京的八达岭、百余公里的青海湖,还有海拔5100米的西藏阿里。而对于 “明天”的全球量子通信星座网络来说,“墨子号”仅仅是个探路者。
 
  这次量子密钥分发论文的第一作者、中科大副研究员廖胜凯向澎湃新闻(www.thepaper.cn)感慨起往事:“我本科也学过量子力学,但说实话,很多地方不怎么能理解,学完后我就想,这个方向不太擅长,我以后就做个电子学工程师,估计不需要用到这些没太学懂的量子力学知识了。”
 
  蓦然回首,立志做电子学工程师的廖胜凯,进入他“没学懂”的量子力学领域,已经快十年了。
 
  量子隐形传态论文的第一作者、中科大副研究员任继刚,则更期待在基础研究方面的突破。他开玩笑道,美剧《生活大爆炸》里的理论物理学家谢尔顿“看不起”实验物理学家莱纳德,莱纳德又“看不起”工程师霍华德。完成“墨子号”的计划实验之后,任继刚希望用这样一个星地平台,测试更多激动人心的点子。
 
  “这个东西不可能”
 
  早在2003年左右,潘建伟就意识到,要构建一个实用化的全球量子保密通信网络,卫星是目前最可行的一个方案。这是因为,光子在地面光纤上的损耗率太大,而在星地之间,光子“走”的绝大部分路程接近真空。
 
  要把单光子从天下发下来,或者发到天上去。很多人都觉得这个太难了。廖胜凯在加入团队后,面对了无数的挑战,他把这个过程称为“打怪兽”:“来一个小怪兽就打小怪兽,来一个大怪兽就打大怪兽。”此时,廖胜凯深刻体会到了潘建伟在项目初期面临的压力。
 
  面对质疑,最好的回应就是实验结果。2005年,潘建伟、彭承志等人就在合肥大蜀山实现了13公里的量子纠缠分发。这个传输距离超过了大气层的等效厚度,证实了远距离自由空间量子通信的可行性。
 
  2011年,潘建伟团队又在青海湖实现了首个超过100公里的量子纠缠分发实验。任继刚回忆道,研究团队翻遍中国地图,发现在中国最大湖泊的中心恰有一个小岛。青海湖北岸到青海湖南岸,恰好是一百余公里的长度,湖面上也没有任何遮挡。
 
  在青海湖,潘建伟团队完成了全方位的卫星技术论证,包括气浮平台、模拟星地相对运动、百公里级量子密钥分发实验等。至此,卫星的基本问题已经解决,还需攻克一些工程化稳定性。
 
  2011年底,他们迎来了一个关键的节点——中科院空间科学先导专项将“量子科学实验卫星”正式立项。
 
  主要负责卫星载荷电子学的廖胜凯,描述了他们打过的其中一个“小怪兽”:“如果说光子损耗率是30dB的话,就是一千倍的损耗,天上发出1万个光子,地面上只能收到10个。但是,我们需要搞清楚地面这十个光子是天上发射的哪十个光子。这就要解决所谓时间上的同步问题。我们的发射频率是一百兆,也就是光子之间的时间间隔是10纳秒(1纳秒=1/1000000000秒)。这10纳秒内,真正发射光子的时间又不到1纳秒。也就是说,我们可以做到天地间纳秒级的时间同步,从而确定地面收到的光子与天上发射光子的对应关系,同时去除噪声。”
 
  “在论证的时候,其实别人都说这个东西不可能。从某种意义上来说,我们就是把很多不可能的东西,一步一步变成了可能的东西。”廖胜凯总结道。
 
  “如临深渊,如履薄冰”
 
  一位航天界的前辈曾告诉廖胜凯,“航天是越做越保守,如临深渊,如履薄冰。”
 
  一开始做卫星的原理样机时,廖胜凯还没有完全体会到这句话的含义。但越到后来,他越感同身受。
 
  卫星远在天外500公里,无法维修,能否圆满完成科学目标,都取决于地面上的设计与验证。为此,团队不得不在兼顾可靠性和稳定性的情况下,把指标“推向极致”。
 
  回想起青海湖上出现的种种问题,廖胜凯也觉得十分不易:“那时候非常担心设备到了天上要怎么办,有没有解决方法,会不会做不成。心里也一直不是很踏实。但一旦开始做了这个项目,虽然过程艰辛,但面对梦想,我们这个年轻的团队又都舍不得放弃。“
 
  他提到,在天上,卫星要面对远比地面复杂的境况。首先,地面的精密光学实验平台一般都较大,而设备的体积在卫星上是受到严格限制。其次,许多精密仪器很难承受住火箭发射时的振动。此外,太空中的温度极不稳定,而失去了地球大气层的保护,许多仪器在空间辐照的影响下会缩短寿命,甚至会被高能粒子击中而直接烧掉。
 
  不过,也幸好这是一支年轻的团队,才能吸收比较多的新东西,敢于创新。“要不是这样,我们很早就会被挡在门外,因为现有成熟的航天技术是无法支持这个实验。”廖胜凯说道。
 
  廖胜凯拿卫星上接收单光子的探测器举了个例子。美国做的天上单光子探测器的噪音,是我们需求的两个数量级以上,远远高于量子通信卫星能够接受的指标。其中,空间辐照,就造成了比较大的扰动。针对空间辐照,一个传统的思路就是用钽或铝板去“挡”。“一厘米厚的铝板可能把辐照降低50%,而降低到10%,则需要十厘米厚铝板,质量增加了十几千克,但与指标还差一个数量级。这是一个有效的办法,但也是有限的办法。”廖胜凯说道。
 
  为此,团队另辟蹊径,不是去“挡”这个噪声,而是利用降低探测器工作温度的方式,让噪声不在实验结果中体现出来。
 
  “墨子号”的原定发射时间,是2016年7月。然而,就在出厂前不久,团队发现其中一个激光器的功率下降了。“当时专列都已经安排好了,进场东西都打包了”,廖胜凯回忆道,“不过团队紧急分析讨论,不行,还是把它拆了,我们应该搞清楚,不能带着风险上天。”经过拆验后,团队发现是组装时的工艺应力问题。经过工艺调整后,“墨子号”最终于8月16号成功升空,这个激光器也始终运行良好。
 
  “要是它在天上功率出了问题,我们很可能就看不到图片上,从天上打下来的那道漂亮的绿光啦。”廖胜凯笑着说道。
 
  “无外乎是冷一点”
 
  在“墨子号”三大科学实验任务中,廖胜凯被分到量子密钥分发实验。而任继刚自2005年加入潘建伟团队以来,就一直参与量子隐形传态实验。
 
  2008年,潘建伟团队在北京八达岭完成了16公里的自由空间量子隐形传态。他们曾想效仿狼烟传信,在北京八达岭长城的烽火台上做实验,最终因为文物保护问题未能如愿,只能转战宾馆的楼顶
 
  在工程方面,任继刚面对的主要挑战,在于量子隐形传态,是“墨子号”三大实验中,唯一一个从地面向卫星发送光子的实验。
 
  “那两个实验(量子纠缠分发和量子密钥分发)是从天上往地下发,地面上是大口径的望远镜接收。这种大口径的望远镜,我们国家的技术已经比较成熟。”
 
  从卫星上下行的光束,先经过长距离的真空,再穿过最后十几公里的近地面大气层,光斑直径大约有十几米。此时产生一些扰动,对接收效果影响并不大。而从地面“上传”,光束会首先经过大气层的干扰。
 
  为此,团队挑选了阿里这个实验地点:海拔高,光束可以少“走”一些路,年均降水少,空气干燥,人类活动的干扰也少。但也因如此,团队不得不面临另一个挑战:较为恶劣的自然条件。
 
  负责地面站望远镜工程的任继刚,验收了5个地面站中的4个:2014年的河北兴隆站,2015年的新疆南山站和青海德令哈站,2016年的阿里站。
 
  任继刚回忆道,他最早曾在2013年上阿里考察。直到2016年10月,地面站才通了公路。在此之前,那里只有一条用挖掘机和推土机“简单粗暴”推出来的一条土路:“只有四驱的越野车能够上去,还是像坐过山车一样。”
 
  因此,地面站上面无法进行大型的土木工程,只能搭建工地上常见的彩钢棚。运输设备也是一个大问题。任继刚说道:“我们最后想了一个什么办法把设备运上去呢?就是把它挂在挖掘机的斗上,让它托着,然后两个人在旁边扶着不让晃,一点一点挪上去的。”最后大约1到2公里的路,他们“挪”了2个多小时。
 
  冬天时,阿里日照时间短,地面站里的太阳能电池板供电不足。为了首先保证设备的运行,团队只能停掉操作间的空调。“墨子号”会在每天的凌晨经过阿里上方的夜空,那时,地面站的温度大约在零下20到30度。
 
  谈起那些穿着军大衣、坐在电脑桌前的夜晚,任继刚倒是觉得并没有特别辛苦:“无外乎是冷一点,然后动起来会喘。在团队里,我算年纪比较大的了,在阿里那个团队都是85后,还有一个87年的女博士后。本身这就是自己感兴趣的事,又能看到胜利的曙光,所以干劲儿比较足。”
 
  甚至,在回到中科大上海研究院的办公室,面对一些繁琐的日常工作,任继刚还会偶尔怀念起在海拔5100米之上,专注做一件事的单纯时光:“在阿里的时候每天很充实。每天凌晨 3点左右,它(“墨子号”)都会在自己头顶经过,实验做完然后差不多开一小时的车下山,稍微吃点东西。睡到下午两三点起来,正好天上的数据下来,起床一边吃饭一边把数据下下来,然后吃完就处理数据,大家开一个小会,讨论一下数据如何,今天做什么,就又该吃晚饭了。”
 
  下一代量子通信卫星:微纳卫星
 
  圆满完成了“墨子号”的三大科学试验任务,任继刚一方面松了一口气,一方面也兴奋起来:现在,他们可以利用这个珍贵的星地平台,测试更多有趣的、激动人心的点子。利用好“墨子号”的剩余寿命,获得尽可能多的第一手数据。
 
  “其实搞科研,十个想法里能有一个有一定的可行性,那就赚到了。你可以说这充满了不确定性,也可以说这充满了挑战性。”任继刚说道。
 
  在这次量子隐形传态实验中,量子纠缠和贝尔态测量都是在阿里的地面站中进行的。下一步,团队将在星地量子纠缠分发的基础,再进行贝尔态测量,实现地面站之间的量子隐形传态。
 
  这里存在时间差,就涉及到一个存储量子态的问题。任继刚介绍道,他们正在纠缠源和干涉仪方面进行设计。同时,团队希望和冷原子领域、量子存储领域的研究进行合作,实现突破。
 
  此外,“单兵作战”的“墨子号”位于近地轨道上,运行速度较快,而且受阳光、阴雨天气条件的限制,至少需要三天才能完成全球站点覆盖。为了搭建全球量子通信网络,潘建伟团队必须发射更多低轨或高轨的量子通信卫星,组建星座,尽可能实现在地球上的任意地点,只要天气条件合适,即可实践量子通信。
 
  不久前,潘建伟团队在《自然·光子学》期刊(Nature Photonics)上发表了在青海湖白天远距离(53公里)自由空间量子密钥分发的成果。下一代量子通信卫星将不再怕光,能够白天上岗。
 
  为了降低成本,团队会转向小型化的卫星——几十千克的微纳卫星。廖胜凯介绍道,下一批的量子通信卫星可能会批量生产。
 
  通过十几年,潘建伟团队在地面光纤和卫星量子通信领域都建立了国际领先的地位。廖胜凯提到,奥地利、德国、意大利都有团队,希望建立地面站,与“墨子号”进行合作实验。
 
  “奥地利虽然也早已有类似的方案,但欧洲的决策支持力度不如国内。所以我们能比较快地走上这条成功的路。其实他们还是挺羡慕我们有机会去做这件事。”廖胜凯说道。

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