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圆满完成实验任务:揭开全球首颗量子通信卫星出生之谜

    来源:未知 作者:admin 发布时间:2017-10-06 Tag:www.t68.ph(1)

圆满完成实验任务:揭开全球首颗量子通信卫星出生之谜

[摘要]1200公里的超远距离量子纠缠分发成果,1个月前曾登上顶级学术期刊《科学》的封面。这次,星地间的远距离量子密钥分发、量子隐形传态,又同时宣布在另一顶级学术期刊《天然》上。

8月10日,中国科学技术大学潘建伟团队宣布,全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”圆满完成了三大科学实验任务:量子纠缠分发、量子密钥分发、量子隐形传态。

1200公里的超远距离量子纠缠分发成果,1个月前曾登上顶级学术期刊《科学》的封面。此次,星地间的远距离量子密钥分发、量子隐形传态,又同时宣告在另一顶级学术期刊《天然》上。

来日,凯发娱乐手机版k8com,已在距离地球500公里的轨道上服役将近1年的“墨子号”收获了全世界的目光。它“昨天”的印记留在合肥的大蜀山、北京的八达岭、百余公里的青海湖,还有海拔5100米的西藏阿里。而对 “明天将来”的全球量子通信星座搜集来说,“墨子号”仅仅是个探路者。

2016年11月9日,在河北兴旺不雅观测站,“墨子号”量子科学实验卫星过境,科研人员在做实验(分化照片)。新华社 资料图

这次量子密钥分发论文的第一作者、中科大副研究员廖胜凯向澎湃新闻(www.thepaper.cn)感慨起往事:“我本科也学过量子力学,但说实话,许多地方不怎样能理解,学完后我就想,这个标的目的不太擅长,我以后就做个电子学工程师,估计不需要用到这些没太学懂的量子力学知识了。”

蓦然回忆,破志做电子学工程师的廖胜凯,进入他“没学懂”的量子力学范围,已经快十年了。

量子隐形传态论文的第一作者、中科大副研究员任继刚,则更等候在基础研讨方面的攻破。他恶作剧道,美剧《生活大爆炸》里的实际物理学家谢尔顿“看不起”实验物理学家莱纳德,莱纳德又“看不起”工程师霍华德。完成“墨子号”的盘算实验之后,任继刚活力用多么一个星地平台,测试更多激动人心的点子。

“这个东西不可能”

早在2003年摆布,潘建伟就意识到,要构建一个实用化的全球量子保密通信网络,卫星是今朝最可行的一个打算。这是因为,光子在空中光纤上的损耗率太大,而在星地之间,光子“走”的绝大部分行程濒临真空。

要把单光子从全国发上去,或者发到天上去。许多人都以为这个太难了。廖胜凯在参加团队后,面对了无数的挑战,他把这个进程称为“打怪兽”:“来一个小怪兽就打小怪兽,来一个大怪兽就打大怪兽。”此时,廖胜凯深刻懂得到了潘建伟在名目初期面对的压力。

面对质疑,最好的回应就是实验结果。2005年,潘建伟、彭承志等人就在合肥大蜀山完成了13公里的量子纠缠分发。这个传输距离超出了大气层的等效厚度,证实了远距离自由空间量子通信的可行性。

2011年,潘建伟团队又在青海湖完成了首个超越100公里的量子纠缠分发实验。任继刚回忆道,研究团队翻遍中国地图,发现在中国最大湖泊的中心恰有一个小岛。青海湖北岸到青海湖南岸,恰好是一百余公里的长度,湖面上也没有任何遮挡。

在青海湖,潘建伟团队完成了全方位的卫星技能论证,包括气浮平台、模拟星地相对运动、百公里级量子密钥分发实验等。至此,卫星的基本成绩已经处理,还需占领一些工程化稳定性。

2011年底,他们迎来了一个关键的节点——中科院空间科学先导专项将“量子科学实验卫星”正式破项。

重要担负卫星载荷电子学的廖胜凯,描述了他们打过的其中一个“小怪兽”:“如果说光子损耗率是30dB的话,就是一千倍的损耗,天上发出1万个光子,空中上只能收到10个。但是,我们须要搞清楚空中这十个光子是天上发射的哪十个光子。这就要处置所谓时间上的同步成绩。我们的发射频率是一百兆,也就是光子之间的时间距离是10纳秒(1纳秒=1/1000000000秒)。这10纳秒内,真正发射光子的时间又不到1纳秒。也就是说,我们可以做到六合间纳秒级的时间同步,从而确定空中收到的光子与天上发射光子的对应关系,同时去除噪声。”

“在论证的时候,切实别人都说这个东西不成能。从某种意思下去说,我们就是把很多不可能的东西,一步一步变成了可能的东西。”廖胜凯总结道。

“如临深渊,如履薄冰”

一位航天界的前辈曾告诉廖胜凯,凯发娱乐手机版k8com,“航天是越做越保守,如临深渊,如履薄冰。”

一开端做卫星的情理样机时,廖胜凯还没有完全体会到这句话的含义。但越到后来,他越感同身受。

卫星远在天外500公里,无法维修,能否圆满完成科学目标,都取决于空中上的设计与验证。为此,团队不得不在兼顾坚固性和牢固性的情况下,把目的“推向极致”。

回忆起青海湖上浮现的各类成绩,廖胜凯也觉得十分不易:“那时分非常担心设备到了天上要怎么办,有不处理方法,会不会做不成。心里也一直不是很结壮。但一旦开始做了这个项目,诚然过程艰难,但面对空想,我们这个年轻的团队又都舍不得放弃。“

他提到,在天上,卫星要面临远比空中复杂的情状。首先,空中的精致光学实验平台一般都较大,而设备的体积在卫星上是受到严格限制。其次,很多精细仪器很难承受住火箭发射时的振动。此外,太空中的温度极不稳固,而失掉了地球大气层的保护,良多仪器在空间辐照的影响下会延长命命,甚至会被高能粒子击中而直接烧失踪。

不过,也幸好这是一支年青的团队,才华吸收比较多的新东西,敢于创新。“要不是如许,我们很早就会被挡在门外,由于现有成熟的航天技术是无奈支撑这个实验。”廖胜凯说道。

廖胜凯拿卫星上接收单光子的探测器举了个例子。美国做的天上单光子探测器的噪音,是我们需要的两个数目级以上,远远高于量子通信卫星可能接收的目标。其中,空间辐照,就构成了比较大的扰动。针对空间辐照,一个传统的思路就是用钽或铝板去“挡”。“一厘米厚的铝板可能把辐照降低50%,而降落到10%,则需要十厘米厚铝板,品德增加了十几千克,但与目标还差一个数量级。这是一个有效的办法,但也是无穷的办法。”廖胜凯说道。

为此,团队另辟途径,不是去“挡”这个噪声,而是利用下降探测器任务温度的方式,让噪声不在实验结果中表示出来。

“墨子号”的原定发射时光,是2016年7月。然而,就在出厂前未几,团队发现此中一个激光器的功率下降了。“当时专列都已经安排好了,进场货色都打包了”,廖胜凯回想道,“不外团队紧急分析探讨,不成,仍是把它拆了,咱们应该搞清楚,不能带着风险上天。”经由拆验后,团队发明是组装时的工艺应力成就。经过工艺调解后,“墨子号”终极于8月16号胜利升空,这个激光器也始终运行出色。

“假如它在天上功率出了成绩,我们很可能就看不到图片上,从天上打上去的那道漂亮的绿光啦。”廖胜凯笑着说道。

“无外乎是冷一点”

在“墨子号”三大科学实验任务中,廖胜凯被分到量子密钥披发实验。而任继刚自2005年参加潘建伟团队以来,就一直加入量子隐形传态实验。

2008年,潘建伟团队在北京八达岭完成了16公里的自由空间量子隐形传态。他们曾想效仿战火传信,在北京八达岭长城的烽火台上做实验,最终因为文物保护成绩未能如愿,只能转战宾馆的楼顶

在工程方面,任继刚面对的主要挑战,在于量子隐形传态,是“墨子号”三大实验中,唯一一个从空中向卫星发送光子的实验。

“那两个实验(量子纠缠分发和量子密钥分发)是从天上往地下发,空中上是大口径的望远镜接受。这种大口径的千里镜,我们国家的技巧已经比较成熟。”

从卫星高下行的光束,先经过长距离的真空,再穿过最后十几多公里的近空中大气层,光斑直径大略有十几米。此时产生一些扰动,对接收成果影响并不大。而从空中“上传”,光束会起首经过大气层的搅扰。

为此,团队挑选了阿里这个实验地址:海压低,光束可能少“走”一些路,年均降水少,空气单调,人类活动的烦扰也少。但也因如此,团队不得不面对另一个挑战:较为恶劣的造作条件。

担任空中站望远镜工程的任继刚,验收了5个空中站中的4个:2014年的河北旺盛站,2015年的新疆南山站跟青海德令哈站,2016年的阿里站。

任继刚回想道,他最早曾在2013年上阿里考察。直到2016年10月,空中站才通了公路。在此之前,何处只有一条用发掘机和推土机“简单粗暴”推出来的一条土路:“只要四驱的越野车可以上去,还是像坐过山车一样。”

因此,空中站上面无法停止大型的土木工程,只能搭建工地上常见的彩钢棚。运输设备也是一个大成绩。任继刚说道:“我们最后想了一个什么措施把设备运上去呢?就是把它挂在挖掘机的斗上,让它托着,然后两集团在旁边扶着不让晃,一点一点挪上去的。”最后大约1到2公里的路,他们“挪”了2个多小时。

冬天时,阿里日照时间短,空中站里的太阳能电池板供电缺少。为了起首保证装备的运转,团队只能停失落操作间的空调。“墨子号”会在天天的清晨经过阿里上方的夜空,那时,空中站的温度大概在零下20到30度。

谈起那些穿着军大衣、坐在电脑桌前的夜晚,任继刚倒是感到并不特别辛苦:“无外乎是冷一点,而后动起来会喘。在团队里,我算年纪比较大的了,在阿里那个团队都是85后,还有一个87年的女博士后。本身这就是本人感兴趣的事,又能看到成功的曙光,所以劲头儿比拟足。”

甚至,在回到中科大年夜上海研究院的办公室,面临一些繁琐的日常任务,任继刚还会偶尔吊唁起在海拔5100米之上,专注做一件事的纯挚时间:“在阿里的时分每天很充实。每天凌晨 3点支配,它(“墨子号”)城市在自己头顶经过,实验做完然后差不多开一小时的车下山,稍微吃点东西。睡到下午两三点起来,正好天上的数据上去,起床一边吃饭一边把数据下上去,然后吃完就处理数据,巨匠开一个小会,讨论一下数据若何,明天做什么,就又该吃晚饭了。”

下一代量子通信卫星:微纳卫星

美满完成了“墨子号”的三年夜迷信实验义务,任继刚一方面松了一口气,一方面也愉快起来:现在,他们可以应用这个宝贵的星地平台,测试更多幽默的、激动人心的点子。利用好“墨子号”的剩余寿命,获得尽可能多的第一手数据。

“实在搞科研,十个主张里能有一个有一定的可行性,那就赚到了,凯发娱乐手机版k8com。你可以说这充满了一直定性,也可以说这充满了挑衅性。”任继刚说道。

在此次量子隐形传态试验中,量子纠缠跟贝尔态丈量都是在阿里的空中站中停滞的。下一步,团队将在星地量子纠缠分发的基础,再结束贝尔态测量,实现空中站之间的量子隐形传态。

这里存在时间差,就涉及到一个存储量子态的成绩。任继刚介绍道,他们正在纠缠源和干涉仪方面停止设计。同时,团队欲望和冷原子领域、量子存储范畴的研究停止合作,完成突破。

此外,“单兵作战”的“墨子号”位于近地轨道上,运转速度较快,而且受阳光、阴雨景象条件的制约,至少需要三天才能完成全球站点覆盖。为了搭建寰球量子通信收集,潘建伟团队必须发射更多低轨或高轨的量子通信卫星,组建星座,尽可能完成在地球上的任意地址,只要天气前提合适,即可实践量子通信。

不久前,潘建伟团队在《自然·光子学》期刊(Nature Photonics)上发布了在青海湖白天远间隔(53公里)自在空间量子密钥散发的成果。下一代量子通讯卫星将不再怕光,能够白昼上岗。

为了降低成本,团队会转向小型化的卫星——多少十千克的微纳卫星。廖胜凯先容道,下一批的量子通信卫星可能会批量生产。

经过十几年,潘建伟团队在空中光纤和卫星量子通信领域都建立了国际领先的地位。廖胜凯提到,奥地利、德国、意大利都有团队,渴望树立空中站,与“墨子号”停止共同实验。

“奥地利固然也早已有类似的计划,但欧洲的决定支持力度不如国内。所以我们能比较快地走上这条成功的路。其实他们还是挺倾慕我们有机会去做这件事。”廖胜凯说道。