“墨子号”——漫漫长路追星族路

墨子号是全世界第一架量子科学试验通讯卫星，是十二五期间项目立项的四颗插装式通讯卫星中的一个。它在2011年由中国科学院带头研发，于2016年8月16号在酒泉卫星发射中心发送，并此后进入了群众的视线。算一下研发周期时间，墨子号的研发一共大约花销了五年的時间。

通信卫星之后，最先开展了四个月的在轨检测，2017年的1月18号宣布交付，供生物学家开展科学试验。墨子号设置的使用期限是2年，因而大家必须在2年内进行所有预订的科学试验。但事实上，在通信卫星以后一周年的2017年的8月，就早已完成了全部的试验。事后的这三年，大家一直都在进行相对的扩展试验。

从通信卫星迄今又过去了四年，再加上通讯卫星研发的五年，就有点儿类似上海市小孩子的九年基础教育体系：五年的中小学、四年的初中。很当然的，有九年基础教育，也就会有学龄前儿童的六到七年的時间。

2012年底，《自然》杂志期刊以“室内空间量子科技比赛”问题，详细介绍了在我国和欧州精英团队在自由空间量子通信层面的市场竞争。殊不知，最开始在2005年，大家就早已在合肥市进行了第一个13千米的纠缠不清派发的试验。换句话说从2005年到2011年，再到2020年，它等同于经历了学前儿童、中小学和中学，现如今早已发展为一名高中学生。在全部那样一个成长阶段中，它究竟开启了什么那样的技术性，及其它又获得了什么很有显著性差异的成效？我眼中的自己今日要跟大伙儿详细介绍的內容。

最先我还是要介绍一下量子科技基本要素。量子科技是组成化学物质的最基础模块，它是动能的最基础的病毒携带者。日常日常生活的灯源，例如灯、太阳光等，你见到的是一个总体的色度，假如把那样的动能细分化，分到最终没法再切分的情况下，便是一个光量子。不可缺少的那样一个光量子，便是一个量子科技；一样，分子、分子结构也是量子科技的一种表达形式。只需记牢一点，量子科技是不可缺少的。除此之外，当用某一量子科技来做量子通信的一些试验时，从理论上就不太可能再寻找一个跟它一模一样的量子科技，要我可以悄悄在旁边去观察它或是是干一切别的事儿，因此它是唯一的。

量子科技还有一个特点：相关累加性。經典比特犬能够是在0或是1中的某一个情况，而量子比特能够处于|0> |1>的混合态，能够以不一样的占比混和。假如你去对它开展一切的精确测量的情况下，其情况便会塌缩，因此它是唯一的。打一个简易的比如：一个飞快转动的钱币，在被拍下以前，你永远不知道他处在正脸還是背面；假如去拍它，它会依照一定的几率塌缩，但那一个塌缩后的情况并不是其初始的飞快转动的情况。因此对量子科技的一次精确测量不能够获得其所有信息内容，因此也不可以再次结构，也也不可以被拷贝。

针对单颗粒的管理体系，融合前边上述的量子科技的不可缺少性、测不准特点、及其不能复制性，就产生了在量子科技密匙派发里安全系数的基本。而针对双颗粒的管理体系的相关累加性，会产生一个更有意思的特性——量子纠缠。

我是“墨子号”量子科学试验通讯卫星新项目中，承担生产制造天空量子纠缠源的负责人室内设计师，由于后边的详细介绍会涉及到量子纠缠，因此在这儿先介绍一下处在量子纠缠态的2个量子科技会有什么特点。大伙儿对“薛定谔的猫”有一定的定义，这一猫很有可能会处在活的情况，或是是死的情况，或是是不死不活的情况。可是针对别的的量子科技，很有可能会出现很多种多样可以塌缩的情况，例如六面的摇骰子。当2个摇骰子处在纠缠不清情况的情况下，假如对在其中一个开展精确测量，倘若说它处于3的情况，那麼无论此外一个摇骰子距离多远，就算是跑到月球表面上来，它也会另外马上的塌缩到3的情况。这类状况即是量子纠缠，在那时候被牛顿称之为漫长地址中间的怪异互动交流。

量子纠缠那样一种不管隔开多远都是有关系的状况，能够用作量子通信和量子隐形传态。除此之外能够用于检测物理学的基础的定义，另外也是可升級量子科技信息资源管理之中的关键資源。

量子通信是量子信息行业最贴近产品化的一个方位。而大家说到通讯，就期待地球上无论是什么地方的人，都是有很有可能创建那样一个通讯。因此向更长距离的扩展，一直是量子通信的很重要的研究内容。

在关键技术上，一开始有两条道路：光纤线量子科技无线信道和自由空间量子科技无线信道。光纤线无线信道是一个很完善的一个定义，如今的家庭装网络光纤，都早已能够入户口了。并且光纤线技术性也很完善，例如其耗损，每千米仅有0.2dB。假如短路线应用得话，例如十公里、20公里，它很有可能总是衰减系数一半的动能，这是一个非常好的方法。可是它的耗损伴随着间距指数值衰减系数，在20公里的衰减系数很有可能不大，可是假如长短做到1000千米时，0.2dB乘于1000千米便是200dB。200dB是啥定义？假如一个光量子历经传送，最终剩余的几率是10-20，那麼针对如今的灯源系统软件，我需要花1000年才可以传一个光量子以往，因此光纤线量子科技无线信道就没有办法应用。它是光量子的原有耗损产生的难题。此外，光纤线还会继续跟自然环境有一些藕合，它促使量子态，包含前边提及的量子纠缠，会出现退相干的效用，因此它就难以向更长远的间距发展趋势。而光纤线无线信道要做得较长，便会存有那样的难题。可是也是有许多的同行业在做这些方面的事儿，由于终究在一些场所，例如局域网络，用起來還是很便捷的。

因此科学研究的方位就挑选了自由空间的量子通信，由于近路面的地球大气层等效电路薄厚大约在八公里上下，外太空的外边全是大部分是沒有耗损的，并且自由空间基本上沒有退相干效用。因此从我进到这一行业逐渐，所从业的方位便是根据室内空间服务平台的自由空间量子通信。

大家精英团队的试验室是在2001年开工建设的，那时候每一个元器件的构建，尤其是激光光路的平稳，都跌跌撞撞的，每一天都必须维护保养。这个时候不太可能立即在通讯卫星上做测验，因此就必须把这个根据室内空间服务平台的“瘋狂”构想，分为好几步走。

2003年，明确提出自由空间量子通信的设想；

2004年，完成13千米自由空间量子纠缠和密匙派发[PRL 94， 150501 （2005）] 

2009年，完成16千米自由空间量子隐形传态 [Nature Photonics 4， 376 （2010）]

最先第一步，因为光量子不可以变大、不可以复制，并且传送耗损十分大，因此必须让其先在空气中国传媒大学一段，要我见到它的存有。在一开始，大家干了一个13千米，一个16千米的试验，全是去认证、检测那样一个量子态，在越过等效电路空气十公里以后，它的量子态是不是仍然可以维持合理。

第一步的试验仅仅确保了在空气中远距传送的耗损是可以接纳的范畴，但那样的一个情况，還是没有办法确保上通讯卫星。而与通讯卫星中间的传送，除开要考虑到更修容的耗损以外，还必须考虑到发送的光张角的转变。除此之外，还必须确保光线对通讯卫星的跟瞄，这对试验的可靠性明确提出了很高的规定。

2011年，完成100公里级自由空间量子隐形传态及其双重量子纠缠派发[Nature 488， 185 （2012）]认证在高耗损星地链接中开展量子通信的可行性分析 

2012年，完成星地量子通信的多方位路基认证[Nature Photonics 7， 387 （2013）]认证各种各样通讯卫星健身运动姿势下开展星地量子通信的可行性分析

因此第二步，大家挑选在青海湖仿真模拟星地真正链接，由于其达到仿真模拟星地真正链接对试验地址的规定，即100公里看着探及。在这儿，大家仿真模拟了通讯卫星健身运动的很多方式，例如先让旋转工作台在屋子里定点转动，激光发生器在远方跟瞄；随后让旋转工作台在车辆、起重机上旋转。或是让汽球把电动吊篮吊上去，再将汽球起飞，做竖直层面的跟瞄。又或者是在飞机上，做对飞机场的跟瞄，以模拟飞行速率迅速的状况。

高精度的动能屏幕分辨率：能够从地球上检测到在月球上引燃的一根火柴

根据这一系列来仿真模拟通讯卫星姿势的怪招，一些核心技术被开启，例如高精密的捕捉跟瞄技术性，这代表着我们在通讯卫星过顶的情况下，能够全自动捕捉上，及其高精度的动能辨别检测技术性，也有更关键的灯源技术性。从最开始的试验，到这一步试验完毕，灯源色度早已提高了100倍，为事后通讯卫星的项目立项立即确立了十分坚固的基本。

所述的试验是在2011年上下完毕。前边的一系列试验成效在11月份墨子号的项目立项论证过程是在具有了尤为重要的功效。在项目立项论述时，所讲的科学研究的基础总体目标是开展通讯卫星和路面的量子科技密匙派发，扩展每日任务是开展室内空间限度的物理学非定域性检测，及其路面和通讯卫星的量子隐形传态。但在全部研发的全过程中，科学研究精英团队把这三大任务并排当做了是大家务必要做的事儿。由于在灯源、链接和检测层面都保证了完美，因此全部的科学研究总体目标可以在2017年内进行。

举一个简易的事例，由于这是一个科学研究通讯卫星，因此能够为了更好地科学研究总体目标去做必需的调节。这卫星最开始实际上设计方案在600千米的路轨运作，而具体运作在500公里路轨。这一降轨在通讯卫星的管理体系里边，归属于一个十分重特大的调节。而调节的原因是什么呢？缘故取决于扩展总体目标。扩展总体目标是地到天的全过程，便是源在地面上，探测仪在天空。但在研发的全过程中就发觉了，探测仪即使不启动，在天空遭受质子的辐照度以后，会出现偏移效用，它的噪音会迅速的提高。通讯卫星上来一般都是有三到四个月的在轨检测，根据测算之后发觉，探测仪上来三到四个月之后，它的暗记数就提高到不能够做测验了。因此大家就干了几层面的改善，一方面是根据一系列的电力电子技术上的减温、防电磁辐射等方式；此外一个便是把路轨从600千米降至500公里，由于在500公里下列，探测仪遭受地磁场方向的维护，辐照度会出现大幅度的降低。

在这里三个关键任务完成以后，科学研究精英团队这三年又进行了一系列的扩展试验。

墨子号是一个太阳同步轨道通讯卫星，因此它每晚在本地时的12点都是会掠过本地空中。例如家里北京，今晚中国北京时间的12点，它会过一次境；假如你一直在乌鲁木齐市，它会在中国北京时间夜里的2点多过乌鲁木齐市，由于乌鲁木齐市的本地时是12点；到中国北京时间第二天早晨的7点，又到欧州夜里的深夜的12点了，它又掠过巴黎。那样一个航行以后，通讯卫星能够跟路面上随意一个点做量子通信，通讯完之后，通讯卫星跟全部的人都是有密匙，卫星的作用等同于一个无线中继点。

可是要用密匙的人都是在路面，那麼该怎么办？倘若巴黎想跟乌鲁木齐市中间创建密匙，而天空的通讯卫星了解这两个密匙，只需做一个与或的或运算，并把結果发送给乌鲁木齐市，乌鲁木齐市用它的密匙把密码翻译一下，就跟巴黎一一对应了。因此这一全过程中，通讯卫星做为一个可靠的无线中继，为什么是可靠？通讯卫星了解全部的事儿，假如你从通讯卫星上取得信息内容，通讯卫星就能清晰地了解巴黎和乌鲁木齐市中间取走的是啥信息内容，而通讯卫星能够把这个信息内容编解码。

除开可靠无线中继计划方案外，也有此外一种通讯计划方案可以仅让通讯的彼此了解相互之间的信息内容，而仅把通讯卫星做为一个造成纠缠不清和派发纠缠不清的一方。因为处在纠缠态的2个光量子，不管分到哪里，即便分到地面站，依然会处在纠缠不清情况。那麼这两人只需检验到它的纠缠不清，就可以拿它来转化成密匙，并且是一对一的密匙。选用这一方法之后，由于通讯卫星它沒有对纠缠不清开展一切的实际操作，沒有得到 一切的信息内容，因此密匙只在地面上的双方来造成。即便通讯卫星并不是自身造的，只是其他国家造的，乃至就是你自身造却被他人操纵了，也没有关系，由于密匙只在于你自己对纠缠不清的检验。

虽然第二个计划方案安全性更强，但如今它的视频码率极低，数量级在0.1bit/s。而第一个计划方案的视频码率在1kbit/s。由于通讯卫星是我们自己造的，因此通讯卫星是彻底能够坚信的，并且用它来做一些商业的登陆密码。而第二个计划方案的密匙量十分的少，假如要累积充足的密匙来用，必须十分多的資源，因此它可以用在一些高级、对安全等级规定高些的，对密匙量要求并不大的场所。从运用上去二种计划方案有各的优点。

大家将来的总体目标是要完成经济全球化的量子通信，这就需要根据“量子科技十二星座”来进行。最先就需要运用“墨子号”上早已完善的技术性，把它保证微型化，并应用多卫星组网方案。假如通讯卫星的品质保证50公斤上下，其研发、发送成本费会出现很显著的减少。根据三到五颗的那样的通讯卫星组网方案就可以遮盖全部地球上。地面上的某一个站能够不断一个星期更新密匙，在基本的商业服务运用层面会具有非常好的功效了。

除开一颗低轨的通讯卫星，学者们还必须把眼光投到高些的中高轨通讯卫星，乃至是同步轨道。可是到同步轨道，通讯卫星仅有0.6%的机遇是在地影区，别的全是被太阳光点亮的。因此也要处理的一个难题便是地面站不可以在大白天进行试验这一限定。除此之外，除开天空的通讯卫星组网方案，还必须将目前的地面站微型化。

总的来讲，大家的总体目标是要创建一个详细的乾坤一体化的多源量子科技保密性通讯网络体系结构，而且跟經典网络通信完成无缝拼接的连接，一同融合，完成安全性的保密性通讯。

注：文中內容依据印娟专家教授于墨子沙龙活动当场演说编译程序梳理而成