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揭秘“墨子号”：量子卫星到底有多牛？

楼主  收藏   举报   帖子创建时间:  2016-08-16 12:36 回复：0 关注量：114
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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