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“墨子号”牛在哪?
发布时间:2016-08-16 来源:中国科学报 李瑜 【字号:  

任晖摄

  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。

  从最初研制到发射,量子卫星承载了太多的期许,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连通。这就像在万米高空,往地面的一个存钱罐里扔硬币,要准确地将硬币投掷于储蓄罐的狭小入口内。若出现一点偏差,信息传递便会功亏一篑。

  “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。”王建宇说,量子里有两组状态,一组为正交,一组倾斜45度,所以共有4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,都在不停旋转运动。

  “这就是瞄准和检测偏正的最大难度所在,我们要在双方都运动时完成信息传递。”王建宇强调,稍微一点对不上都不行,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%。”

  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。这是什么概念呢?

  “一个60瓦的灯泡,每秒钟发射的光子数大约是10×1020,而一根火柴的最大光亮是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,人们在地球上用望远镜可看到它的亮光。

  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,才能捕获来自太空的一颗颗光子。否则,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,信息传递就是必须要求发送端和接收端是能够对得上的,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1个纳秒,也就是在1秒钟之内,把1亿个光子全都排列好。”

  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蹚过来、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,心里有这个底。”王建宇如是说。

  然而,量子卫星不一样。“刚开始做的时候,我们心里真的是没底。”王建宇感慨地说,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。”

(责任编辑:侯茜)
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