墨子號成功發(fā)射 經(jīng)過十三年準(zhǔn)備“墨子號”終于成功升空
“墨子號”是世界上首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星。量子衛(wèi)星首席科學(xué)家、中科院院士潘建偉說，給它起名“墨子”，是因為墨子首先通過小孔成像實驗發(fā)現(xiàn)了光沿直線傳播，而且他也提出了某種意義上的“粒子論”。
帶著中國先賢的名字，這顆衛(wèi)星于凌晨發(fā)射至高度為500公里的預(yù)定軌道。半夜發(fā)射一顆太陽同步衛(wèi)星，是為了保證它每次飛過中國上空都在夜間，夜間試驗可以規(guī)避光線干擾。
那么，量子衛(wèi)星的前世今生是什么?它是否會成為世界量子通信研究領(lǐng)域最亮的“星”?
量子衛(wèi)星設(shè)想由來已久
“2003年，我們想到，為了真正實現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子通訊，可能需要衛(wèi)星。”8月15日，東風(fēng)航天城的東風(fēng)賓館，潘建偉面對媒體回憶起量子衛(wèi)星想法的誕生。
那時，距離潘建偉在中國建立第一個光量子操縱實驗室，僅僅兩年。
量子有許多神奇的特性，其中之一就是“糾纏”。對處于糾纏態(tài)的其中一個粒子進(jìn)行操作，會影響到另一個粒子。不管這兩個粒子相距多遠(yuǎn)，他們都有著不可思議的“心靈感應(yīng)”。
于是，量子隱形傳態(tài)的概念被提出：關(guān)于一個量子客體的全部信息在某個地點被掃描輸入，又能在一個新的地點重構(gòu)出來。
但是，傳遞處于糾纏態(tài)粒子的過程，充滿著噪音、散射和各種形式的其他干擾，任何一種干擾都會破壞隱形傳態(tài)所必需的精巧的量子關(guān)聯(lián)。比如，糾纏光子通過光纖傳輸，但光纖會吸收光，這大大限制了光子的傳輸距離。潘建偉說，即使存在超出目前技術(shù)水平的10G赫茲理想單光子源和100%探測效率的理想單光子探測器，但若要在1000公里光纖中進(jìn)行點對點量子通信，每300年也只能傳輸一個比特。“因此，要實現(xiàn)覆蓋全球的廣域量子保密通信，還需要借助衛(wèi)星的中轉(zhuǎn)。”
通過一系列的實驗，量子隱形傳態(tài)的距離紀(jì)錄被中外科學(xué)家一再刷新。
2005年，潘建偉團(tuán)隊實現(xiàn)了13公里自由空間量子糾纏和密鑰分發(fā)實驗，證實光子穿透大氣層后，其量子態(tài)能夠有效保持。
2007年開始，潘建偉與中科院一些機構(gòu)合作，做地面驗證。2010年，他們論證了發(fā)射衛(wèi)星的可能性;2011年底，量子科學(xué)實驗衛(wèi)星項目正式立項。
困難全都得自己解決。
“墨子號”常務(wù)副總師兼衛(wèi)星總指揮王建宇說，他的工作就是幫助科學(xué)家夢想成真。“2011年到今天，我們經(jīng)歷了原理樣機、初樣、正樣幾個階段的努力。因為是國際上第一顆量子衛(wèi)星，毫無參照。以前有些衛(wèi)星任務(wù)，多少能找到參考，在國際做法的基礎(chǔ)上改進(jìn)。但量子衛(wèi)星的困難全得自己解決。”
王建宇舉了一個難點：“首先，衛(wèi)星微弱的光發(fā)下來，地面要收到。一千公里遠(yuǎn)，0.7個角秒，對不準(zhǔn)不行，而且地面要收到每一個光子。因為光的編碼是偏振狀態(tài)，我們不但要收到光子，還要完美檢測偏振狀態(tài)，才能變成密碼。”
王建宇打比方說，這就相當(dāng)于人坐在萬米高空的飛機，向下扔一連串硬幣，要扔進(jìn)一個慢慢旋轉(zhuǎn)的儲幣罐的縫里。必須瞄準(zhǔn)好，因為硬幣斜了也投不進(jìn)去。而且，“密鑰分發(fā)時候，每秒鐘要接收1億個光子。這些光子的次序還不能搞錯，搞錯就白收了。”王建宇說。
接受光子的望遠(yuǎn)鏡的靈敏度，相當(dāng)于月球上劃一根火柴，地球上就要測到。而潘建偉則比作：在地球上能看清木星衛(wèi)星上的車牌號。
“衛(wèi)星上發(fā)出一對糾纏光子，要兩個站同時收到，國際上從未做過。”王建宇說，“美國人做過一個點對準(zhǔn)。他們是強光通信，要用強光引導(dǎo)。我們是弱光通信，用5種光，還要區(qū)分出來。”
潘建偉坦言，衛(wèi)星研制過程中，遇到了各種難題，很難說哪個困難最大。他透露，在衛(wèi)星設(shè)計過程中，他們也有過重要的調(diào)整。“宇宙中有很多高能粒子，我們的衛(wèi)星要接受地面信號，需要紅外探測器在宇宙環(huán)境中，單光子水平下長時間工作。西歐給出的測試報告，說探測器可以經(jīng)受高能粒子打擊。結(jié)果我們?nèi)ヲ炞C，1個星期探測器就被打壞了。于是，我們就想將軌道搞低一點，避開高能粒子，但作用有限。后來我們又用了一種辦法，讓探測器即使身處高能粒子打擊下，還能工作1年以上。”
