揭秘“墨子号”：量子卫星到底有多牛

心相随

量子卫星：史上最大实验室
中国科技网-科技日报内蒙古额济纳旗东风航天城8月15日电(记者 高博) 中国科学院院士、量子卫星首席科学家潘建伟在媒体通气会上表示，为了量子卫星实验，他们建立了有史以来最大的实验室。
潘建伟说，从量子卫星到地面跨度为500公里，地面站之间相距1200公里，据他所知，这是国际上跨度最大的单个实验室。
中国利用已有的四个天文台站接受卫星信号，以节约成本。他们的望远镜极其灵敏，可以看到月球上点燃火柴，或者看清木星卫星上的车牌号。
科学家比方说：接受卫星的的单光子信号，就好像从飞机上不断投硬币，扔进地面缓缓旋转的存钱罐的扁口。
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揭秘“墨子号”：量子卫星到底有多牛？
科学网酒泉8月16日讯（记者 李瑜） 8月16日凌晨，伴随着世界首颗量子科学实验卫星在酒泉圆满发射成功，中国人的“飞天”梦想再一次在这片古老的土地上绽放，从此，头顶的浩瀚的星空里也多了一份属于中国和世界的“量子”牵挂。
从最初的研制到发射，量子卫星承载了太多关注的目光与期许，那么，这颗举世瞩目的“新星”到底有多牛气？其技术实现难度又有多高？在酒泉卫星发射中心，量子科学实验卫星工程常务副总师兼卫星总指挥王建宇，向《中国科学报》记者讲解了量子卫星技术的诸多“极限挑战”。
天地一体化连通：从太空向地面存钱罐扔硬币
在量子通信中，最大的难点在于如何实现天地一体化的量子联通。这就好比在万米高空，往地面的一个存钱罐里扔硬币，需要准确地将硬币投掷于储蓄罐的狭小入口。如果出现一点点偏差，信息的传递便会功亏一篑。
“量子的编码，就像计算机编码0101一样，有正负、垂直、水平等不同状态，要把量子的偏振方向检测出来，才能变成密码。”王建宇介绍说，量子里面有两组状态，一组是正交的，一组是倾斜45度的，所以，一共有四个不同的偏正状态。
不仅如此，地面上的存钱罐（接收装置）和天空中的投掷者（量子卫星）也不安生，它们都在不停地旋转运动。
“这就是瞄准和检测偏正的最大难度所在，我们要在双方都处于运动状态的情况下完成信息传递。”王建宇强调，稍微对不上一点点都不行，如果这样，地面上收到的就是误码了。
据王建宇介绍，一旦误码率高于3.5%，信息传输就没有意义了。“3.5%是个底线，通常我们会把误码率控制在1%~2%之间。”
探测器灵敏度：在地球上看到月球的火柴光
如果说从太空向地面存钱罐扔硬币已经让人感到咋舌，那接下来的技术则更加让人目眩。
量子卫星采用的是单光子探测器，其目的是实现对每一个光子的捕捉。那么，这是一个什么概念呢？
“一个60瓦的灯泡，每秒钟发射的光子数大约是10×10的二十次方个，而一根火柴的最大光亮大约是3~5瓦。”王建宇说，量子卫星探测器灵敏度相当于在月球上点根火柴，我们在地球上用望远镜可以看到它的亮光。
如果考虑到火柴点燃后，光向四面八方的扩散效应，其观测难度可想而知。“探测器的灵敏度必须达到这种程度，才能捕获来自太空中的一颗颗光子。否则的话，天上的量子卫星就没有存在的意义了。”王建宇说。
时间同步设置：一秒钟给一亿个光子排排队
在太空中，量子卫星每秒钟大约向地面发射一亿个光子，需要地面接收装置对所有光子进行接收。然而，这个接收过程并非来者不拒，而是要讲究个先来后到。
“我们必须知道每个光子是第几个发出来，信息传递就是必须发送端和接收端是能够对的上的，要有一个完整的序列。”王建宇说。
将光子们一一对接起来的办法，就是时间同步。“我们现在的接收频率能做到一个纳秒，也就是在一秒钟之内，把一亿个光子全都排列好。”
心理难关：这是一项从未有过的探索
与此前众多追赶、超越的老剧本不同，量子通信这条路，是中国科学家自己一步步趟过来、摸出来的。
“我们以前做各种各样的卫星的时候，一般都有个参考。尽管人家不会把技术告诉你，但是至少心理上是有个预期的，因为别人已经做成了。我们相信通过自己研究总能成功，心里有这个底。此外，中国已经有很多例证，尽管起步晚，但却实现了赶超。”王建宇如是说。
然而，量子卫星不一样。“这个东西到底行不行，刚开始做的时候，我们心里真的是没底。”王建宇感概地说，尽管我们经手的大大小小的卫星研制工作已经无以计数，但量子卫星对于所有参与者都是一个从未有过的巨大挑战。
谈及量子卫星的发射成功，王建宇很是平淡。“对于人类探索量子物理世界和空间科学的脚步而言，这仅仅是个开始吧。”
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世界首颗量子卫星“墨子号”升空
“墨子号”奔向太空  任晖摄
本报酒泉8月16日讯（记者李瑜 通讯员赵金龙）“5、4、3、2、1，点火！”8月16日01时40分，脚下的震颤打破了戈壁滩上的宁静。长征二号丁运载火箭拖曳着一道刺眼的白焰划过茫茫夜空，在呐喊与欢呼中，世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”（以下简称量子卫星），发射圆满成功。此次发射任务于酒泉卫星发射中心完成，它的成功标志着我国空间科学研究又迈出重要一步，也意味着在通信技术的发展历史上，人类再次开疆拓土。
量子卫星是中科院空间科学先导专项首批科学实验卫星之一，也是继暗物质粒子探测卫星和“实践十号”卫星之后完成发射的第三颗卫星。据量子科学实验卫星工程副总指挥龚建村介绍，量子卫星的主要科学目标是借助卫星平台，进行星地高速量子密钥分发实验，并在此基础上进行广域量子密钥网络实验，以期在空间量子通信实用化方面取得重大突破；在空间尺度进行量子纠缠分发和量子隐形传态实验，开展空间尺度量子力学完备性检验的实验研究。
量子卫星工程由中科院国家空间科学中心抓总负责。中国科学技术大学负责科学目标的提出和科学应用系统的研制；中科院上海微小卫星创新研究院（上海微小卫星工程中心）抓总研制卫星系统，中科院上海技术物理研究所联合中国科学技术大学研制有效载荷分系统；中科院国家空间科学中心牵头负责地面支撑系统研制、建设和运行，对地观测与数字地球科学中心等单位参加。
我国自主研发的量子卫星突破了一系列高新技术，包括同时瞄准两个地面站的高精度星地光路对准、星地偏振态保持与基矢校正、星载量子纠缠源等工程级关键技术等，卫星设计寿命为两年。量子卫星的成功发射和在轨运行，将有助于我国在量子通信技术实用化整体水平上保持和扩大国际领先地位，实现国家信息安全和信息技术水平跨越式提升，有望推动我国科学家在量子科学前沿领域取得重大突破，对于推动我国空间科学卫星系列可持续发展具有重大意义。
龚建村介绍说，卫星发射入轨后，将首先进行三个月左右的在轨测试。然后转入在轨运行阶段，在两年时间内开展相关实验。此外，本次任务还搭载发射了中国科学院研制的稀薄大气科学实验卫星和西班牙科学实验小卫星。
另据量子科学实验卫星工程首席科学家、中科院院士潘建伟透露，量子卫星已正式定名“墨子号”。“墨子跟光学工作是紧密相关的，他的发现奠定了光通信、量子通信的基础。”潘建伟表示，以墨子这位中国古代先贤为卫星命名，是对中国传统文化的一份自信与敬意。

先导引领 迈入空间科学强国之列
■本报记者 姜天海
2015年12月17日，中国空间科学卫星系列首发星——暗物质粒子探测卫星“悟空”，带着去太空寻找暗物质存在证据的使命顺利升空。
今年4月6日，中国首颗微重力科学实验卫星“实践十号”返回式科学实验卫星成功发射，并于12天后带着19项科学实验结果成功返回，成为我国迄今为止承载空间科学实验项目及种类最多的单次卫星任务。
至此，中科院空间科学战略性先导科技专项（以下简称空间科学先导专项）首批立项研究的4颗科学卫星，已经“进程过半”。
8月16日，备受瞩目的世界首颗量子科学实验卫星成功发射升空。同时，硬X射线调制望远镜卫星也将于下半年择机发射，这无疑全面开启了中国空间科学探索的新时代。
先天不足
2014年，一份由日本科学技术振兴机构发布的报告引起了国人的注意。
这份报告从空间运输、空间利用、空间科学和载人空间活动四个方面，对各国的空间科技能力进行打分（满分为100分）。结果显示，美国以95分位列第一，其次是欧洲70分，第三名是俄罗斯60分，日本以53分紧随其后，而中国以48分排名第五。
随后，他们又对月球和行星探测、天文观测、近地空间环境观测等子领域的空间科学进行综合评价（满分为20分）。结果显示，美国19分，而中国仅得4分。此外，中国在对地观测以及航天医学、空间生命科学、微重力科学实验技术方面的表现也不尽如人意。
有分析指出，我国在空间科学领域的相对滞后，主要是因为先天不足。
作为发展中国家，我国有限的航天投入均集中在应用卫星上，将灾害监测、天气预报、资源考察、国防和国民经济发展需求放在首位。直到2000年以后，我国才在航天经费里拿出部分资金支持空间科学，发展科学卫星。
“在先导专项之前，我国在空间科学领域的投入基本是空白的。因为我们是发展中国家，空间科学又花费巨大。空间科学并不像做数学，只要支持数学家就能出成果。它虽然研究的是基础科学，但需要卫星、火箭、科学仪器等技术的支撑。因此，空间科学和其他基础科学不同之处就在于它是和技术紧密相关的，必须要解决上天和在天上做实验的问题。”中科院国家空间科学中心主任、中科院空间科学先导专项负责人、空间科学先导专项科学卫星工程常务副总指挥吴季表示。
应运而生
在迈入21世纪的第二个十年之前，我国空间科学发展出现决定性转机。国务院审议通过了中科院“创新2020”规划，明确要求通过组织实施战略性先导科技专项，形成重大创新突破和集群优势。
而在此当中，空间科学先导专项的实施方案在众多建议专项中脱颖而出。
2009年12月，在中科院规划战略局组织召开的战略性先导科技专项实施方案评议会上，空间科学先导专项的评议结果在16个建议专项中名列前三。经中科院党组会审议，将其确定为拟于第一批启动的专项之一，并于次年9月通过了战略性先导科技专项咨询评议会专家的评议。
2011年1月11日，空间科学先导专项随着首批战略性先导科技专项的启动应运而生，成为我国迄今为止规模最大的空间科学卫星计划。
中科院国家空间科学中心作为我国空间科学及其卫星工程项目的总体性研究机构，面向全国的空间科学创新平台，负责组织开展国家空间科学发展规划研究以及空间科学先导专项的组织与实施。
随后，空间科学先导专项先后共部署了7个研究项目。空间科学预先研究项目通过部署项目集群的方式，对未来的空间科学卫星计划和必需的关键技术进行先期研究。
如今，肩负探寻太空暗物质存在证据使命的暗物质粒子探测卫星“悟空”、进行了19项微重力科学实验的“实践十号”返回式科学实验卫星，以及备受瞩目的世界首颗量子科学实验卫星均已成功发射。硬X射线调制望远镜卫星也将于下半年发射。
前瞻部署、各具特色的空间科学先导专项，让中国的空间科学发展大步迈入“全速发展期”。
未来蓝图
我国空间科学得以快速“弯道超车”，离不开中科院在此当中发挥的决定性作用。
对此，国际数字地球学会主席、中国科学院院士郭华东在接受采访时表示：“这离不开国家政府的支持，以及中国科学院的谋划。而且这也证明了中科院先导专项的魅力，相当有前瞻性。”
“目前，中科院国家空间科学中心的建立已经是一个巨大的进步，但这还不够，中国还需要从国家政府层面建立国家级空间科学机构，这是让中国成为21世纪空间科学领导者的必要条件。”国际空间科学研究所执行董事、原国际空间研究委员会主席Roger Bonnet建议。
因此，有计划、有步骤、有序地发展国家的空间科学至关重要。空间领域的科学家建议，能从国家层面设立一个直属于国务院、类似美国宇航局的机构，来统筹制定国家的空间科学发展计划，组织和审查各种计划及建议，制定出一个全面的国家空间科学发展路线图。
追赶，并肩，超越。在空间科学先导专项的带领下，我国空间科学事业正加速迈入空间科学强国之列，圆中国从航天大国发展为航天强国的振兴之梦。

让量子科学“照进”生活
■本报记者 唐琳
无处不在的卫星通信、卫星导航定位、卫星遥感以及依靠卫星对地球观测的天气预报和灾害预报，成为保障国家安全以及日常生活中必不可少的要素；而源于空间科技需求发展起来的新技术，在为空间探索服务的同时，更是极大地改变着人们的生活。
而这其中最具代表性和说服力的，当属量子科学实验卫星及其带来的可能颠覆人类现有通信、计算、测量方式的量子技术。
守护国家安全
伴随着互联网的飞速发展，信息安全早已成为人们关心的网络问题首选。而2013年爆发的“棱镜门”事件，更使这一问题发酵成为更高层次的国家安全隐患。
当信息安全已然上升到国家战略的高度，保障通信安全与通信保密也随之成为政府高度关注的焦点，发展“自主可控”的信息技术和产品成为当务之急。
那么，究竟有没有一种通信技术和手段是绝对可以信赖的呢？答案是肯定的。
微观世界里，有共同来源的两个微观粒子之间存在着纠缠关系。不管它们距离多远，只要一个粒子状态发生变化，就能立即使另一个粒子状态发生相应变化。利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通信方式，就是量子通信。
基于量子理论，科学家提出量子密钥的概念。量子密钥是将数字密钥储存在特殊的量子信息中，并在量子通信线路中传输。
由于“绝无仅有”的安全性，量子通信在国家安全、金融等领域有着重大的应用价值和前景。
从长远来看，量子通信还能实质性地提升国家的信息技术水平和信息产业的核心竞争力，实现国家信息系统建设的跨越式发展，对综合国力的提升、经济和社会的进步产生深远的影响。因此，量子通信也被认为是最有可能引发军事、经济、社会领域又一次重大革命的关键技术。
技术改变生活
当前，城域光纤量子通信网络技术早已成熟，这为通过大力发展我国自有的量子通信技术以掌握未来信息产业主动权提供了难得的机遇。其中，在一个中等城市范围内利用光纤传输光子编码载体是目前实现量子通信的最佳方案。
2012年，合肥城域量子通信试验示范网全网落成。这一项目成功搭建了46个节点的城域量子通信网络，覆盖合肥市主城区，用户涵盖政府部门、金融机构等，能提供量子安全下的实时语音通信、文本通信及文件传输等功能。4年来，示范网运行良好，通信正确率达99.6%，超过目前的移动通信水平。
在合肥城域量子通信试验示范网成功建成后，2013年，济南量子通信试验网也开始正式投入使用。这不仅是我国第一个以承载实际应用为目标的大型量子通信网，也是世界上已知的规模最大、功能最全的量子通信试验网。
除了量子通讯网络的建设，量子通信的应用远比我们想象的更为广泛和“接地气”。
在十八大、“抗战胜利70周年阅兵”等关键节点，我们都可以看到量子通信装备的“身影”。比如，利用量子通信技术装备在国庆60周年阅兵期间构建的“量子保密热线”，就为国庆阅兵过程中重要信息的传送提供了必要的保障。

量子技术的应用，除了量子通信，不得不提的还有量子计算及其衍生出来的精密测量技术。
根据理论预计，求解一个亿亿亿变量的线性方程组，利用目前世界上最快的“天河二号”超级计算机需要100年。而利用计算频率还低万分之一的THz量子计算机，却只需0.01秒。