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全球首颗量子通信卫星“墨子号”是怎样炼成的?

未知 2019-07-18 10:53

  8月16日凌晨1时40分,由我国科学家自主研制的世界首颗量子科学实验卫星墨子号在酒泉卫星发射中心成功发射,其将在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信。这将是跨度最大、史上最安全的通信网络。

  这颗卫星被起名为墨子,就是为了纪念那位生活于2000多年前,崇尚科学的中国古代思想家。他,是世界上第一位开展光学实验的科学家。

  未来两年将完成三大实验任务

  未来两年内,量子科学实验卫星将进行三大科学实验任务。进行星地高速量子密钥分发实验,寻求更广范围乃至全球范围量子通信的最终实现。进行星地量子纠缠分发实验和地星量子隐形传态实验,开展宏大尺度上对量子理论本身展开实验检验。在卫星平台上所进行的三大实验,有望产生重大物理发现,进而促进整个物理学的发展。

  量子卫星首席科学家中科院院士潘建伟表示,可能第一个实验最容易,后面两个实验可能会困难一点。我们对完成这三类实验,都非常有信心。

  力争在2030年建成全球量子通信网

  潘建伟院士介绍,在量子科学实验卫星三大科学实验任务顺利完成之后,将会邀请国际伙伴参与进来,在北京与维也纳之间进行量子保密通讯项目。此外,作为一颗科学实验卫星,本次发射的量子科学实验卫星主要承担科研任务。在科研之余,还可以在小范围内进行量子保密通信方面的实际应用。

  量子科学实验卫星工作示意图

  据了解,在首颗量子通信卫星发射后,我国还将陆续发射多颗量子卫星,力争在2020年实现欧洲和亚洲之间的洲际量子保密通信,在2030年前后率先建成全球一体化的广域量子保密通信网络。

  墨子号的三大独门绝技

  专家介绍,墨子号拥有一项独步天下的本领:量子通信!量子通信的最大特点是所有的数据和信号传输都绝对保密,再也不必担心信息被窃取。

  不仅如此,墨子号还有三大独门绝技。

  绝技一 小身材有量乃大

  640公斤的量子卫星,在卫星家族中只是不起眼的小瘦子,不过娇小的量子卫星可并非以重量碾压群雄,它的获胜法宝是3个神奇装备。

  激光器。激光器的作用就是生成单个的光量子。量子是能量等物理量的最小单元,光量子也就是光的最小量子单元。

  量子纠缠源。和激光器不同,它的使命是制造出一对对处于纠缠状态的光量子。大家可以把纠缠状态想象成一对互相吸引的磁铁,不同之处在于,纠缠中的量子即使相隔万里也能心灵相通,其中一个状态发生改变,另一个也会相应改变。爱因斯坦把这种现象形容为如幽灵一般的远距离作用。

  量子密钥通信机和量子纠缠发射机。这两个仪器相当于发射器,都是负责把光量子发射到地面实验站。密钥通信机是一对一,发射单个光量子到单个地面站,纠缠发射机则是一对二,把成对的纠缠光量子分别发射到两个地面站。

  绝技二 星地间驾驭微观精灵

  从500公里开外的太空上向地面的实验站发射光量子,这是史无前例、世界首次。首先要把卫星上的光轴和地面实验站的光轴对准,然后再把肉眼根本看不见的光量子从天下打下来。而这个对准精度比普通卫星的对准精度高出了十倍,堪称针尖对麦芒。

  不仅要从卫星上发射光量子到地球,雄心勃勃的科学家们还要从地球发射光量子到卫星上,然后利用远距离的量子纠缠效应,实现光量子状态在星地间的传输。一旦实现,时空穿越便不再是梦。

  绝技三 史上最安全全球通信网

  为什么跑到天上去做量子实验?答案是为了地球人通信更安全。

  量子天生就是个防窃听神器,它有两个基本特性:不可分割、不可复制。再加上连大科学家们都无法解释的超远距离的量子纠缠效应,使它足以担当保镖的职责,护送着机密的信息一起发送给接收方。即便窃听者的计算能力再强,破解密码技术再高,一旦碰上了量子密钥,便会原形毕露,被抓现行。

  其实我们已经建成用光量子传输的京沪通信干线,但是光量子在光纤线路中的传输距离较短,每100公里便需要一个中继器来帮助它完成接力赛跑。但在大气层中,它却可以一次性传递几千公里,所以中国的科学家们决定用天上的卫星来帮助光量子实现更大范围的传输。日后,科学家们还会尝试发射更多的量子通信卫星,以此构建包含国防、金融、政务、商业等领域的绝对安全的全球量子保密通信网。

  墨子号的星路历程

  墨子号作为我国自主研制的全球首颗量子科学实验卫星,从最初酝酿和前期技术贮备到如今成功发射,前后历时十多年。下面,让我们一起了解一下它的星路历程。

  ◆ 2003年,潘建伟提出量子科学实验卫星计划。

  ◆ 2011年1月,中科院空间科学先导专项启动,量子卫星纳入其中。

  ◆ 2011年12月,量子科学实验卫星工程启动。

  ◆ 2012年12月,转入初样研制阶段,卫星开始成形。

  ◆ 2014年12月,转入正样研制阶段,卫星开始成熟。

  ◆ 2015年12月,完成星地光学对接试验,达到科学目标要求。

  ◆ 2016年2月,完成大系统联试,协调匹配性得到验证。

  ◆ 2016年7月,量子卫星和长征二号丁火箭从上海运往酒泉。

  ◆ 2016年8月16日,发射成功。

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