世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星墨子號(hào)升空

2016年8月16日，我國(guó)墨子號(hào)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星（Mozi QUESS）成功發(fā)射。8月17日，中國(guó)遙感衛(wèi)星地面站密云站接收到墨子號(hào)首軌數(shù)據(jù)。如果衛(wèi)星成功運(yùn)行，我國(guó)將成為世界上首次實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間進(jìn)行量子通信的國(guó)家。

1　無(wú)懈可擊

通信安全與保密的重要性現(xiàn)已引發(fā)各國(guó)政府以及廣大公眾的普遍關(guān)注。就目前和可以預(yù)見(jiàn)的將來(lái)來(lái)看，量子通信已被公認(rèn)是迄今為止唯一被嚴(yán)格證明能“無(wú)條件安全”的通信方式。

世界所有物質(zhì)都是由微粒子組成，其中不可連續(xù)分割的微粒子表現(xiàn)形態(tài)叫量子，它是最小的能量單位，分子、原子、光子、電子都是量子的表現(xiàn)形態(tài)。量子通信是利用量子的糾纏效應(yīng)和狀態(tài)疊加進(jìn)行信息傳遞的新型通信方式。根據(jù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，具有糾纏態(tài)的2個(gè)量子無(wú)論相距多遠(yuǎn)，只要一個(gè)發(fā)生變化，另外一個(gè)也會(huì)瞬間發(fā)生變化。一個(gè)量子可以同時(shí)存在多種形態(tài)。

傳統(tǒng)的通信加密和傳輸安全都是依賴(lài)于復(fù)雜的算法，但是只要竊取者的計(jì)算能力足夠強(qiáng)大，再?gòu)?fù)雜的保密算法都能夠被破解，所以都不能夠做到絕對(duì)安全。量子通信的安全性基于量子物理基本原理，作為光的最小顆粒，單個(gè)光量子在傳輸信息的時(shí)候具有不可分割和不可被精確復(fù)制兩大特性。利用量子這兩大特性，可以制作出最安全的密鑰，從而能保證信息的不可竊聽(tīng)和不可破解，哪怕計(jì)算能力再?gòu)?qiáng)也是破解不了的。

從廣義上講，量子保密通信、量子隱形傳態(tài)等都屬于量子通信，但由于量子保密通信目前最接近實(shí)用化，因此量子通信常指量子保密通信，即狹義上的量子密鑰通信。它通過(guò)量子信道實(shí)現(xiàn)密鑰傳遞，密文本身仍通過(guò)經(jīng)典信道傳速。

量子通信是將信息編碼加載到單個(gè)光量子疊加態(tài)的偏振方向上。在量子通信過(guò)程中，發(fā)送方和接收方都采用單個(gè)光量子的狀態(tài)作為信息載體來(lái)建立密鑰。由于單個(gè)光量子是光能量的最小組成單元，不能被再分割，所以在單個(gè)光量子發(fā)射的情況下，竊聽(tīng)者無(wú)法將單個(gè)光量子分割成兩部分，讓其中一部分繼續(xù)傳送，而對(duì)另一部分進(jìn)行狀態(tài)測(cè)量獲取密鑰信息。又由于光量子不可被精確地復(fù)制，所以竊聽(tīng)者無(wú)論是對(duì)單個(gè)光量子狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量還是試圖復(fù)制之后再測(cè)量，都會(huì)對(duì)光量子的狀態(tài)產(chǎn)生擾動(dòng)，使竊聽(tīng)行為暴露。

傳統(tǒng)通信信號(hào)只有0和1，發(fā)生竊聽(tīng)時(shí)這2種信號(hào)不會(huì)被擾動(dòng)。量子通信則完全不會(huì)出現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題，這是因?yàn)榱孔有盘?hào)有0、1、0+1、0-1等量子疊加態(tài)，而且這種疊加態(tài)不可復(fù)制，若要對(duì)單個(gè)光量子的狀態(tài)進(jìn)行復(fù)制，首先對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，但量子相干疊加決定了測(cè)量會(huì)對(duì)單個(gè)光量子的狀態(tài)產(chǎn)生擾動(dòng)，因此無(wú)法獲得其狀態(tài)的精確信息，也就無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)其狀態(tài)的精確復(fù)制。量子信號(hào)一旦被竊聽(tīng)，量子疊加態(tài)就會(huì)受到擾動(dòng)，有可能“塌縮”成另一個(gè)量子態(tài)。這樣一來(lái)，通信雙方能立即察覺(jué)并規(guī)避。

量子通信的關(guān)鍵要素是量子密鑰，它用具有量子態(tài)的物質(zhì)作為密碼，一旦被截獲或者被測(cè)量，其自身狀態(tài)就會(huì)立刻發(fā)生改變。截獲量子密鑰的人只能得到無(wú)效信息，而信息的合法接收者則可以從量子態(tài)的改變中得知量子密鑰曾被截取過(guò)。

2　保密法寶

由于量子具有疊加性，可同時(shí)表示0和1，處于疊加態(tài)的量子比特能以量子糾纏的現(xiàn)象相互聯(lián)系，即1個(gè)量子比特的行為能瞬間影響到另1個(gè)量子比特。這樣的特性意味著竊聽(tīng)者不可能實(shí)現(xiàn)對(duì)1個(gè)未知量子比特的精確復(fù)制。一旦信息被人挾持，量子會(huì)自動(dòng)發(fā)生變化，接收者也因此能察覺(jué)，而竊聽(tīng)者也看不到原貌。

量子世界中存在一種類(lèi)似“心電感應(yīng)”的現(xiàn)象，即量子糾纏。它是指在微觀世界里有共同來(lái)源的2個(gè)微觀粒子之間存在著糾纏關(guān)系，不管它們相距多遠(yuǎn)，只要1個(gè)粒子狀態(tài)發(fā)生變化，另1個(gè)粒子狀態(tài)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，即在2個(gè)或2個(gè)以上的穩(wěn)定粒子間會(huì)有強(qiáng)的量子關(guān)聯(lián)，但其原因目前還不清楚。

量子隱形傳態(tài)是指利用量子糾纏技術(shù)，借助衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、光纖網(wǎng)絡(luò)等經(jīng)典信道，傳輸量子態(tài)攜帶的量子信息。

科學(xué)家已經(jīng)在地球上成功做了以下實(shí)驗(yàn)，將2個(gè)糾纏態(tài)光量子分開(kāi)數(shù)千米，在數(shù)納秒的間隔內(nèi)測(cè)量它們的自旋。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，如果測(cè)量發(fā)現(xiàn)它們其中1個(gè)自旋是+1，知曉另一個(gè)是-1的速度至少比以光速進(jìn)行通信快10000倍。

實(shí)驗(yàn)表明，創(chuàng)造2個(gè)互相糾纏的光量子以后，哪怕將它們分開(kāi)很遠(yuǎn)，也可以通過(guò)測(cè)量其中1個(gè)的狀態(tài)來(lái)得知關(guān)于另1個(gè)的信息。所以，可以利用量子糾纏的特性實(shí)現(xiàn)與遙遠(yuǎn)恒星系統(tǒng)的通信。

為了進(jìn)行遠(yuǎn)距離的量子隱形傳態(tài)，往往需要事先讓相距遙遠(yuǎn)的兩地共同擁有最大量子糾纏態(tài)。但是，由于存在各種不可避免的環(huán)境噪聲，量子糾纏態(tài)的品質(zhì)會(huì)隨著傳送距離的增加而變得越來(lái)越差。因此，如何提純高品質(zhì)的量子糾纏態(tài)是量子通信研究中的重要課題。

3　優(yōu)點(diǎn)很多

量子通信可以真正實(shí)現(xiàn)密碼無(wú)法破譯。它采用的是“一次一密”的工作機(jī)制，2人通話期間，密碼機(jī)每分每秒都在產(chǎn)生密碼，牢牢“鎖”住語(yǔ)音信息；一旦通話結(jié)束，這串密碼就會(huì)立即失效，下一次通話絕對(duì)不會(huì)重復(fù)使用，而且量子通信所提供的密鑰無(wú)法被破解。

另外，量子通信能實(shí)現(xiàn)最快的通信。研究發(fā)現(xiàn)，即使將2個(gè)糾纏態(tài)亞原子粒子分隔到宇宙距離，它們之間的通信也幾乎是即刻的。與傳統(tǒng)光速通信相比，量子通信的線路時(shí)延為零，量子信息傳遞的過(guò)程不會(huì)為任何障礙所阻隔，所以完全環(huán)保，不存在任何電磁輻射污染。其原因是：被傳輸?shù)奈粗孔討B(tài)在被測(cè)量之前會(huì)處于糾纏態(tài)，并可同時(shí)代表多個(gè)狀態(tài)，例如1個(gè)量子態(tài)可以同時(shí)表示數(shù)字0和1，7個(gè)這樣的量子態(tài)就可以同時(shí)表示128個(gè)狀態(tài)或128個(gè)數(shù)字：0～127。光量子通信的這樣一次傳輸，就相當(dāng)于傳統(tǒng)通信方式的128次?？梢韵胂?，如果傳輸帶寬是64位或者更高，那其效率將是驚人的。

量子通信可實(shí)現(xiàn)超時(shí)空穿越的遠(yuǎn)距離通信。其隱形傳輸技術(shù)與人類(lèi)歷史上此前已有的通信技術(shù)有著本質(zhì)的差異。量子隱形傳態(tài)如同科幻小說(shuō)中描繪的超時(shí)空穿越，量子在一個(gè)地方神秘消失，又在另一個(gè)地方瞬間出現(xiàn)。

量子通信還具有超高信道容量。信道容量是指信道在噪聲環(huán)境下有效傳輸信息的能力，是通信領(lǐng)域最基本的問(wèn)題。量子信道不僅可以傳輸經(jīng)典信息，也能傳輸量子信息。

總之，與成熟的傳統(tǒng)通信技術(shù)相比，量子通信具有以下主要特點(diǎn)：一是保密性強(qiáng)；二是隱蔽性高，量子通信是一種完全無(wú)“電磁”的通信技術(shù)，現(xiàn)有的無(wú)線電探測(cè)系統(tǒng)無(wú)法對(duì)其進(jìn)行探測(cè)；三是應(yīng)用性廣，量子既可在太空中進(jìn)行通信，又能在海底等惡劣條件下通信，還可以在光纖等介質(zhì)中進(jìn)行信息傳遞；四是時(shí)效性高，由于量子通信時(shí)延為零，能極大地提高通信速度。

4　必由之路

量子通信發(fā)展路線圖

雖然可用光纖建造城域量子通信網(wǎng)絡(luò)，但由于光量子容易被光纖吸收，存在固有的光量子損耗，與環(huán)境的耦合也會(huì)使量子糾纏品質(zhì)下降，最終導(dǎo)致信號(hào)在光纖傳送的過(guò)程中越來(lái)越弱，因此僅僅利用光纖難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的量子通信。另外，在近地面自由空間傳輸信號(hào)會(huì)受地面障礙物、地表曲率、氣象條件的影響，光量子傳輸難以在地面自由空間中向遠(yuǎn)距離拓展。

解決這個(gè)問(wèn)題有2種可行途徑：一種是利用量子中繼技術(shù)，即把相距較遠(yuǎn)的通信線路分為數(shù)段，因此每一段的損耗較小，然后在量子中繼的幫助下，把光子攜帶的信息一段段如同接力賽一樣向前傳遞；另一種是進(jìn)行自由空間單個(gè)光量子傳輸，這是由于大氣對(duì)某些波長(zhǎng)的光量子吸收有限，到了外層空間則幾乎沒(méi)有光損耗，因此可以突破大氣層通過(guò)衛(wèi)星的中轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)千千米甚至是全球化的量子通信。

如果量子通過(guò)光纖來(lái)傳播，最多一二百千米就會(huì)失去信號(hào)，而通過(guò)大氣層可以傳遞幾千千米，因此使用量子通信衛(wèi)星是遠(yuǎn)距離光量子傳輸?shù)谋赜芍?。它能克服地表曲率、沒(méi)有障礙物的阻礙；光量子在光纖中的損耗遠(yuǎn)高于自由空間的損耗，大氣對(duì)光量子的吸收和散射遠(yuǎn)小于光纖，并能保持光量子極化糾纏品質(zhì)。另外，受到地面條件的限制，目前很多地方無(wú)法鋪設(shè)量子通信的專(zhuān)用光纖。不過(guò)，由于量子通信衛(wèi)星運(yùn)行在低軌道，因此，若想建設(shè)覆蓋全球的量子通信網(wǎng)絡(luò)，必須依賴(lài)多顆量子通信衛(wèi)星。

發(fā)展量子通信技術(shù)的終極目標(biāo)是構(gòu)建廣域乃至全球范圍的絕對(duì)安全的量子通信網(wǎng)絡(luò)。可通過(guò)光纖實(shí)現(xiàn)城域量子通信網(wǎng)絡(luò)連接一個(gè)中等城市內(nèi)部的通信節(jié)點(diǎn)；通過(guò)量子中繼技術(shù)實(shí)現(xiàn)鄰近2個(gè)城市之間的連接；通過(guò)量子通信衛(wèi)星與地面站之間的自由空間光量子傳輸和衛(wèi)星平臺(tái)的中轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)2個(gè)遙遠(yuǎn)區(qū)域之間的連接。這些是目前條件下實(shí)現(xiàn)全球廣域量子通信最理想的途徑。

5　科學(xué)目標(biāo)

墨子號(hào)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星正樣星

2012年，我國(guó)在國(guó)際上首次成功實(shí)現(xiàn)了百千米量級(jí)的自由空間量子隱形傳輸和糾纏分發(fā)，為2016年發(fā)射全球首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

墨子號(hào)的科學(xué)目標(biāo)是進(jìn)行星地高速量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行廣域量子密鑰網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)，以期在空間量子通信實(shí)用化方面取得重大突破；在空間尺度進(jìn)行量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)，開(kāi)展空間尺度量子力學(xué)完備性檢驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)研究。

不過(guò)，在太空進(jìn)行量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)非常復(fù)雜，對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備要求也超乎尋常地高。例如，在空間載荷方面，衛(wèi)星與地面站的微弧度高精度跟瞄、近衍射極限量子光發(fā)射、高保偏量子信號(hào)偏振調(diào)制、高精密量子糾纏光源的航天工程化等。這些關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)已突破。

墨子號(hào)系統(tǒng)總體研制單位是上海微小衛(wèi)星工程中心，其中的有效載荷分系統(tǒng)總體研制單位為中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)總體研制單位為中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)。

6　主要任務(wù)

我國(guó)于2011年開(kāi)始研制的量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，將連接中國(guó)和歐洲之間的量子通信網(wǎng)，旨在建立衛(wèi)星與地面遠(yuǎn)距離量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

墨子號(hào)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星在軌飛行示意圖

墨子號(hào)擬開(kāi)展基于衛(wèi)星平臺(tái)的廣域量子通信和量子力學(xué)基礎(chǔ)原理的檢驗(yàn)。該項(xiàng)目借助衛(wèi)星平臺(tái)，尋求量子理論在宏觀大尺度上的應(yīng)用，使量子信息技術(shù)的應(yīng)用突破距離的限制，促進(jìn)廣域乃至全球范圍量子通信的最終實(shí)現(xiàn)；能在更深層次上認(rèn)識(shí)量子物理的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題，拓寬量子力學(xué)的研究方向，對(duì)于量子理論乃至整個(gè)物理學(xué)的發(fā)展有著至關(guān)重要的意義。

該衛(wèi)星質(zhì)量約640kg，由長(zhǎng)征-2D運(yùn)載火箭發(fā)射，運(yùn)行于高500km、傾角為97.37°的太陽(yáng)同步軌道，設(shè)計(jì)壽命2年。此前，科學(xué)家們?cè)诘孛嫔弦言谙嗑?00km的距離成功進(jìn)行了量子糾纏實(shí)驗(yàn)，而墨子號(hào)把這個(gè)實(shí)驗(yàn)帶到外層空間。該衛(wèi)星發(fā)射后，將在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)空間大尺度的量子密鑰分發(fā)和量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)，這可以推進(jìn)人類(lèi)對(duì)大尺度范圍量子力學(xué)規(guī)律的認(rèn)識(shí)，并帶動(dòng)我國(guó)量子物理整體水平大幅提升。

整個(gè)項(xiàng)目分為衛(wèi)星和地面兩大部分。在地面，項(xiàng)目已經(jīng)完成了一系列關(guān)鍵技術(shù)測(cè)試；衛(wèi)星發(fā)射后要完成三大任務(wù)：衛(wèi)星和地面絕對(duì)安全量子密鑰分發(fā)、驗(yàn)證空間貝爾不等式（Bell's inequality）和實(shí)現(xiàn)地面與衛(wèi)星之間量子隱形傳態(tài)。這些實(shí)驗(yàn)是通過(guò)我國(guó)自主研發(fā)的星地量子通信設(shè)備完成，它能夠產(chǎn)生經(jīng)過(guò)編碼的、甚至是糾纏的光量子并發(fā)射到地面上，與之對(duì)接的地面系統(tǒng)則負(fù)責(zé)接收光量子，這種被稱(chēng)為“針尖對(duì)麥芒”的光量子發(fā)射和接收需要超高精度的瞄準(zhǔn)、捕獲和跟蹤。

7　精確對(duì)準(zhǔn)

在衛(wèi)星的飛行過(guò)程中，它攜帶的2個(gè)激光器要分別瞄準(zhǔn)2個(gè)地面站，向左向右同時(shí)傳輸量子密鑰。為了讓穿越大氣層后光子的“針尖”仍能對(duì)上接收站的“麥芒”，在飛行的過(guò)程中要始終保證精確對(duì)準(zhǔn)。跟蹤要達(dá)到相當(dāng)高的精度，這也是國(guó)際上從來(lái)沒(méi)有人做過(guò)的。激光器一站對(duì)準(zhǔn)一站的有人做過(guò)，但是用1顆衛(wèi)星對(duì)準(zhǔn)2個(gè)地面站的從來(lái)沒(méi)有過(guò)，而且還要保證對(duì)得準(zhǔn)確，這方面我國(guó)研制團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在地面上做過(guò)模擬仿真實(shí)驗(yàn)，但還是要在上天以后才知道最終成功與否，所以這也是很大的技術(shù)挑戰(zhàn)。如果能夠做到的話，在國(guó)際上也是第一次做這么高精度的跟蹤和地面站配合。

量子密鑰分發(fā)較簡(jiǎn)單，就是相當(dāng)于我在衛(wèi)星上，你在地面，我將一連串的單個(gè)光量子下發(fā)到你手中，你就能把信號(hào)給解碼出來(lái)，這個(gè)任務(wù)就完成了。此后，4個(gè)光學(xué)地面站可以接收衛(wèi)星傳下來(lái)的信號(hào)進(jìn)行量子通信，在衛(wèi)星的幫助下，這4個(gè)地面站任何兩兩之間都可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)安全的通信。

發(fā)射量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的主要目的正是旨在開(kāi)展衛(wèi)星與地面之間絕對(duì)安全的高速量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)高精度的捕獲和跟瞄系統(tǒng)，建立超遠(yuǎn)距離的量子信道，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)的演示。

該衛(wèi)星的核心是一個(gè)能夠產(chǎn)生成對(duì)糾纏光量子的晶體，無(wú)論它們分開(kāi)多遠(yuǎn)，其性質(zhì)仍然能糾纏在一起。其第一個(gè)任務(wù)是發(fā)送這些成對(duì)量子中的一方去往在北京和維也納的地面站，并使用它們來(lái)生成密鑰；第二個(gè)任務(wù)是驗(yàn)證貝爾不等式，證明這個(gè)糾纏可以存在于相隔1200km的量子之間，因?yàn)榱孔永碚擃A(yù)測(cè)糾纏一直存在于任何距離，驗(yàn)證貝爾不等式將會(huì)證明該理論預(yù)測(cè)的正確性；第三個(gè)任務(wù)是嘗試地面與衛(wèi)星之間量子隱形傳態(tài)，使用通過(guò)傳統(tǒng)方式傳輸來(lái)的糾纏光量子對(duì)及其所攜帶的信息，在一個(gè)新位置重建光子的量子狀態(tài)。如果首顆衛(wèi)星進(jìn)展順利，今后我國(guó)還將發(fā)射更多的量子通信衛(wèi)星，如果要在全世界范圍內(nèi)保障通信安全，大約需要20顆量子通信衛(wèi)星。

8　衛(wèi)星組成

墨子號(hào)包括衛(wèi)星平臺(tái)和科學(xué)有效載荷兩部分，采用衛(wèi)星平臺(tái)和有效載荷一體化設(shè)計(jì)，所以體積不大。它借鑒了成熟的小衛(wèi)星平臺(tái)，由結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)分系統(tǒng)、熱控分系統(tǒng)、電源分系統(tǒng)、測(cè)控分系統(tǒng)、姿控分系統(tǒng)、星務(wù)分系統(tǒng)、數(shù)傳通信分系統(tǒng)等組成?？茖W(xué)有效載荷有4個(gè)，還配置了2套獨(dú)立的有效載荷指向機(jī)構(gòu)，通過(guò)姿控指向系統(tǒng)協(xié)同控制，可與地面上相距千米量級(jí)的2處光學(xué)站同時(shí)建立量子光鏈路，光軸指向精度優(yōu)于3.5μrad。

該衛(wèi)星的內(nèi)部最為核心的結(jié)構(gòu)分為2層，下面一層是衛(wèi)星平臺(tái)的一個(gè)控制系統(tǒng)，上面一層所搭載的是量子通信衛(wèi)星的4種有效載荷。

量子密鑰通信機(jī)：其主要功能是量子密鑰產(chǎn)生發(fā)射、糾纏發(fā)射、量子光接收探測(cè)、信標(biāo)光及同步光發(fā)射和捕獲跟蹤瞄準(zhǔn)（ATP）等。它由3個(gè)功能部分組成：擺鏡光機(jī)系統(tǒng)，捕獲跟蹤瞄準(zhǔn)控制電子學(xué)設(shè)備以及量子電子學(xué)設(shè)備。其結(jié)構(gòu)上分為2個(gè)單機(jī)，量子密鑰通信機(jī)光機(jī)主體與量子密鑰通信機(jī)電控箱。

量子糾纏發(fā)射機(jī)：其主要功能是量子糾纏發(fā)射、量子密鑰產(chǎn)生發(fā)射、信標(biāo)光及同步光發(fā)射和大范圍捕獲跟蹤瞄準(zhǔn)。它由3個(gè)功能部分組成：捕獲跟蹤瞄準(zhǔn)光機(jī)系統(tǒng)、捕獲跟蹤瞄準(zhǔn)控制電子學(xué)設(shè)備以及量子電子學(xué)設(shè)備。其結(jié)構(gòu)上分為2個(gè)單機(jī)，量子糾纏發(fā)射機(jī)光機(jī)主體與量子糾纏發(fā)射機(jī)電控箱。

量子糾纏源：其是星上糾纏光量子對(duì)的產(chǎn)生源頭，也是糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)核心。它由2個(gè)功能部分組成：光機(jī)子系統(tǒng)和量子電子學(xué)設(shè)備，主要具備與量子密鑰通信機(jī)分系統(tǒng)、量子糾纏發(fā)射機(jī)分系統(tǒng)的光接口，以及與量子實(shí)驗(yàn)控制與處理機(jī)分系統(tǒng)的電接口。

量子實(shí)驗(yàn)控制與處理機(jī)：其主要功能是實(shí)現(xiàn)密鑰分配實(shí)驗(yàn)的密鑰基矢比對(duì)、密鑰糾錯(cuò)和隱私放大，最后提取最終密鑰。此外，還可以實(shí)現(xiàn)糾纏試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析處理。它包括電源管理、量子通信及流程控制電路、量子試驗(yàn)處理電路、隨機(jī)數(shù)功能電路、電路箱結(jié)構(gòu)等5個(gè)部分。

其工作過(guò)程比較簡(jiǎn)單：從衛(wèi)星上下發(fā)一連串單個(gè)光量子，地面光學(xué)實(shí)驗(yàn)站接到信號(hào)之后進(jìn)行解碼，如果成功，就相當(dāng)于完成了通信。如果在衛(wèi)星的幫助下，地面上的2個(gè)實(shí)驗(yàn)站能夠進(jìn)行安全通信，就可以組織通信網(wǎng)絡(luò)了。

9　四大實(shí)驗(yàn)

為實(shí)現(xiàn)科學(xué)目標(biāo)，這次將借助衛(wèi)星平臺(tái)在廣域范圍開(kāi)展量子密鑰分發(fā)、廣域量子密鑰網(wǎng)絡(luò)、量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)4項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

星地高速量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)。在高精度捕獲、跟蹤、瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的輔助下，建立地面與衛(wèi)星之間超遠(yuǎn)距離的量子信道，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星與地面之間的量子密鑰分發(fā)，開(kāi)展絕對(duì)安全的保密通信實(shí)驗(yàn)，量子密鑰初始碼產(chǎn)生率大于1kbit/s。

廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)。在地面建立2個(gè)光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)光纖與其相鄰的固定量子通信地面站連通。當(dāng)衛(wèi)星飛過(guò)量子通信地面站1上空時(shí)，通過(guò)星地量子密鑰分發(fā)過(guò)程在地面站1和衛(wèi)星間建立密鑰K1；同理，地面站2和衛(wèi)星間建立量子密鑰K2。衛(wèi)星通過(guò)經(jīng)典信道將K1和K2的異或結(jié)果公開(kāi)發(fā)布，地面站1和地面站2之間建立絕對(duì)安全的量子密鑰，通過(guò)這樣的方式將2個(gè)分隔遙遠(yuǎn)的地面光纖網(wǎng)絡(luò)相互聯(lián)通，實(shí)現(xiàn)廣域覆蓋量子通信網(wǎng)絡(luò)。

星上載荷配置關(guān)系

星地量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)。衛(wèi)星上的量子糾纏光源同時(shí)向2個(gè)地面站分發(fā)糾纏光量子，在完成量子糾纏分發(fā)后，對(duì)糾纏光量子同時(shí)進(jìn)行獨(dú)立的量子測(cè)量，通過(guò)對(duì)千米量級(jí)量子糾纏態(tài)的觀測(cè)，開(kāi)展空間尺度量子力學(xué)完備性檢驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)研究。

地星量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)。地面量子糾纏源將糾纏光量子對(duì)中的1個(gè)光量子通過(guò)地面發(fā)射望遠(yuǎn)鏡發(fā)送到衛(wèi)星，另1個(gè)放入量子存儲(chǔ)器存儲(chǔ)起來(lái)。衛(wèi)星把收到的光量子和未知量子態(tài)進(jìn)行聯(lián)合貝爾態(tài)測(cè)量，同時(shí)將測(cè)量結(jié)果通過(guò)經(jīng)典信道送給地面站。地面將另1個(gè)糾纏光量子從存儲(chǔ)器讀出，并根據(jù)衛(wèi)星的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的幺正變換，從而得到衛(wèi)星的未知量子態(tài)。通過(guò)這樣的未知量子態(tài)隱形傳遞過(guò)程，可驗(yàn)證量子力學(xué)的非定域性。

墨子號(hào)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星有效載荷總裝示意圖

10　應(yīng)用系統(tǒng)

科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)負(fù)責(zé)整個(gè)“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”工程科學(xué)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃的制訂、科學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)施、科學(xué)數(shù)據(jù)和應(yīng)用的處理、傳輸、存儲(chǔ)、管理與發(fā)布。

科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)由1個(gè)中心（科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心）、2套網(wǎng)（廣域量子密鑰應(yīng)用平臺(tái)）和5個(gè)站（4個(gè)量子通信地面站、1個(gè)空間量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)站）組成。

烏魯木齊南山站和青海德令哈站依托現(xiàn)有天文臺(tái)新建了量子通信地面站和2臺(tái)1.2m口徑的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡；北京興隆和云南天文臺(tái)依托現(xiàn)有的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行改造，建成了量子通信地面站。

光學(xué)望遠(yuǎn)鏡主要用于對(duì)星上量子光、信標(biāo)光和同步光的接收，其包含的粗精跟蹤單元能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)衛(wèi)星的精確指向和跟蹤，同時(shí)旁軸發(fā)射信標(biāo)光，用于衛(wèi)星載荷對(duì)地面站的跟蹤。

科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)與系統(tǒng)配置對(duì)應(yīng)表

科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)地理分布圖

據(jù)悉，按照規(guī)劃，我國(guó)在2016年發(fā)射首顆量子通信衛(wèi)星，建設(shè)以4個(gè)量子通信地面站和1個(gè)空間量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)站為核心的空間量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)后，還將發(fā)射更多衛(wèi)星。到2020年，我國(guó)量子通信市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)210億元人民幣。隨著量子通信在各領(lǐng)域的不斷滲透，預(yù)計(jì)國(guó)內(nèi)量子加密潛在市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到500億～1000億元人民幣。到2020年還要實(shí)現(xiàn)亞洲與歐洲的洲際量子密鑰分發(fā)，屆時(shí)，聯(lián)接亞洲與歐洲的洲際量子通信網(wǎng)也將建成。到2030年左右，我國(guó)將建成全球化的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)。

宗河/文

World's First QUESS Mozi Launched