量子衛星：科學與實用的雙重“呼喚”

2011年，中國科學院論證并啟動了空間科學先導專項。2011年底，量子科學實驗衛星項目正式立項。鑄劍五載，如今，全球首顆量子科學實驗衛星已經成功發射。

工程總體與六大系統

根據量子科學實驗衛星的特點和實際需求，項目設置了工程總體和六大系統。

工程總體負責制定工程研制計劃，編制工程頂層文件，組織工程重大活動，協調系統間問題，同時對工程整個研制過程進行監督和管理。

六大系統分工明確：衛星系統主要負責衛星平臺和有效載荷的研發。

運載火箭系統主要負責運載火箭的研制和生產。

發射場系統選擇酒泉衛星發射中心主要承擔運載火箭和量子科學實驗衛星的測試、發射任務，并提供地面技術支持與勤務保障。

測控系統負責對運載火箭主動段提供測控支持，向地面支撐系統傳輸原始遙測數據，接收地面支撐系統傳送的科學實驗數據并完成數據的上行發送和下行接收。

地面支撐系統負責提供實驗任務運行控制管理、數據接收、預處理、管理和歸檔等公用性支撐服務。

科學應用系統負責整個量子科學實驗衛星工程科學實驗計劃的制訂、科學實驗的實施、科學數據和應用的處理傳輸存儲管理與發布。

關鍵技術

量子科學實驗衛星需要在兩年的設計壽命中完成四大任務。這些任務將通過我國自主研發的星地量子通信設備完成，它能夠產生經過編碼的，甚至是糾纏的光子并發射到地面上，與之對接的地面系統則負責“接收光子”，這種光子的發射與接收被稱為“針尖對麥芒”。

量子科學實驗衛星飛行的過程中，攜帶的兩個激光器要分別瞄準兩個地面站，向左向右同時傳輸糾纏光子。這就要求在飛行的過程中必須始終保證精確對準，跟蹤要達到相當高的精度，這也是國際上從來沒有人做過的。

為了讓穿越大氣層后光子的“針尖”仍能對上接收站的“麥芒”，量子科學實驗衛星工程常務副總師兼衛星總指揮、中科院上海技術物理所研究員王建宇帶領團隊， 與中科大教授潘建偉團隊一道，從2012年起就開始進行各種實驗——如收發距離40公里的轉臺實驗，與衛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，在空地環境下模擬量子密鑰分發……

量子糾纏源的航天工程化也是量子科學實驗衛星的一項關鍵技術。研究人員細化工程化指標，提煉出窄線寬泵浦激光器的空間適應性、高精度Sagnac干涉儀穩 定性以及空間光纖極化控制三大技術難點，最終明確了量子糾纏源及光接口的技術狀態，設計保證了關鍵技術的各項技術指標。

此次，量子科學實驗衛星將包含4個有效載荷，分別是量子密鑰通信機、量子糾纏發射機、量子糾纏源、量子實驗控制與處理機。這些都耗費了科學家和工程技術人員的大量時間和心血。

協同攻關

量子科學實驗衛星的一個顯著特點是星上和地面協同完成科學實驗，即天地一體化實驗，而且科學實驗的數據流和指令流鏈路也較其他衛星更為復雜。

在工程研制初期，雖然科學家團隊對科學目標和科學實驗都了如指掌，但是很多工程研制人員還是對在軌科學實驗流程感到困惑。由此由工程總體組織、科學應用系 統編制了《量子科學實驗衛星工程天地一體化實驗流程分析報告》。科學家通過對實驗流程的不斷討論和細化，使得隊伍逐漸對科學實驗及其過程有了清晰認識。

此次項目的工程研制任務除了研制一顆量子科學實驗衛星外，還需研制生產一發長征二號丁運載火箭，由航天科技集團第八研究院負責建造。

中國科學技術大學作為科學應用系統總體，全面承擔起規劃和建設工作，從總概算到建設流程作了周密部署；中科院國家天文臺作為量子科學實驗衛星科學應用系統 的參研單位，主要負責地面站建設和改造分系統工作；國家天文臺設計并參與建設了適用于量子科學實驗衛星觀測的地面站系統；中科院光電技術研究所新研制的南 山和德令哈地面站1.2米口徑望遠鏡和改造的興隆和云南的兩臺米級望遠鏡，是量子通信系統的核心組成部分。

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系統和速度動態范圍大、抗擾能力強的望遠鏡伺服控制系統以及工作狀態可配置的 望遠鏡操控系統，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以及天文觀測任務，不少指標達到國際領先水平。

然而，這是一條沒有盡頭的征途。中國還將發射多顆衛星，計劃到2020年，實現亞洲與歐洲的洲際量子密鑰分發，建成連接亞洲與歐洲的洲際量子通信網；到2030年左右建成全球化的廣域量子通信網絡。

鏈接

四大實驗：

科學與實用的雙重“呼喚”

量子科學實驗衛星一方面尋求量子理論在信息學和通信學方面最新成果在宏觀大尺度上的應用，促進廣域乃至全球范圍量子通信的最終實現；另一方面將在宏觀大尺 度上對量子理論本身展開實驗檢驗，在更深層次上為認識量子物理的基礎科學問題、拓寬量子力學的研究方向作出重要貢獻，促進整個物理學的發展。

為實現科學目標，須借助于衛星平臺，在廣域范圍開展4項重要的科學實驗：

1.星地高速量子密鑰分發實驗

星地高速量子密鑰分發實驗的目的是在高精度捕獲、跟蹤、瞄準系統的輔助下，在實現地面與衛星之間建立超遠距離的量子信道的基礎上，進行衛星與地面之間、基 于誘騙態和基于糾纏的量子密鑰生成和分發，實現衛星與地面之間以量子密鑰為核心的絕對安全的保密通信實驗，從而為建立全球范圍的量子通信網絡打下技術基 礎。

2.廣域量子通信網絡實驗

近年來，隨著光纖量子通信網絡技術的發展，通過星地量子密鑰分發過程組建真正的廣域量子通信網絡已經成為可能。這一實驗將在實現高速星地量子密鑰分發的基 礎上，與兩個光學地面站及其附屬的兩個局域光纖量子通信網絡相結合，通過衛星中轉的方式組建真正意義上的廣域量子通信網絡。

3.星地量子糾纏分發實驗

衛星上的量子糾纏光源同時向兩個地面站分發糾纏光子，在完成量子糾纏分發后，對糾纏光子同時進行獨立的量子測量。通過對千公里量級量子糾纏態的觀測，開展空間尺度量子力學完備性檢驗的實驗研究。

4.地星量子隱形傳態實驗

量子隱形傳態是一種全新的通信方式，是量子網絡與量子計算的基本過程。地星量子隱形傳態實驗將在量子存儲的幫助下，探索衛星與地面之間遠距離的真正意義及量子隱形傳態的可行性，研究爭取在類空間條件下完成量子力學非定域性的實驗檢驗。