+ 演講者：陳有梅（中科院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院 “墨子號”衛(wèi)星結(jié)構(gòu)主任設計師）

墨子不僅是一個思想家，軍事家，還是一個科學家。戰(zhàn)國初期，他和學生做了第一個小孔成像實驗，奠定了光的直線傳播理論，同時也是一個量子論的原型。

世界上首顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”在2016年8月16日發(fā)射升空，距離墨子的小孔成像實驗跨越了2400多年。

我們之所以以“墨子”這位古代先賢的名字為衛(wèi)星命名，也是對中國傳統(tǒng)文化的一份自信與敬意。還有一方面的意義是賦予團隊，以墨子的科學匠人精神打造世界上首顆量子衛(wèi)星。

工程研制難度

2011年，量子衛(wèi)星工程正式啟動，經(jīng)過五年的研制，于2016年發(fā)射并交付使用。

五年才研制出一顆衛(wèi)星，真的有那么難嗎？真的有，以一項關鍵技術為例——星地光路對準。

衛(wèi)星與地面站建立高精度光鏈路，是開展量子通信實驗的前提。衛(wèi)星在軌道上以宇宙速度7.9km/s的速度飛行，而地面站隨著地球的轉(zhuǎn)動大概以0.46km/s的速度轉(zhuǎn)動。要求衛(wèi)星上的兩束光同時對準地球上的兩個地面站，就好比坐在高速飛行的飛機上，往地面上一個易拉罐大小的洞口里扔硬幣，難度可想而知，完全是針尖對麥芒的精度要求。

圖1：“墨子號”從星空向地面發(fā)出兩道光，宛如兩條長腿向前邁出一大步，這也象征著量子通信向?qū)嵱妙I域邁出一大步。

但是工程團隊做到了。圖1左側(cè)，是“墨子號”衛(wèi)星與南山阿里地面站和興隆地面站建立的光路連接。值得驕傲的是，最初設置的跟蹤精度目標是3.6個微弧度，實際上在軌實現(xiàn)的精度是2.5個微弧度。

團隊是怎么實現(xiàn)這個方案呢？我們首先讓衛(wèi)星飛到第一個地面站上空，通過衛(wèi)星的姿態(tài)調(diào)整初步對準和跟蹤地面站，再通過衛(wèi)星上的一臺載荷設備來精確對準，然后通過衛(wèi)星上第二臺能夠大范圍機動的載荷設備實現(xiàn)第二個地面站的對準跟蹤，在國際上我們也是首次實現(xiàn)了衛(wèi)星上兩臺設備，同時對準兩個地面站，最終實現(xiàn)2.5個微弧度的對準精度。

“墨子號”衛(wèi)星成功發(fā)射后：

· 衛(wèi)星發(fā)射成功入選了《環(huán)球科學》的十大新聞，以及中國的十大科技進展。

· 華爾街日報發(fā)表《沉寂了一千年，中國誓回發(fā)明創(chuàng)新之顛》的專題報道。

· 2017年習總書記的新年賀詞中提到了“墨子號”飛向太空。

此外還有光子的偏振態(tài)的星地傳輸及檢測等關鍵技術，也是難度極大的科學與工程實踐的雙重挑戰(zhàn)。以潘建偉為首的科學家團隊與微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院的衛(wèi)星工程團隊，用三年時間對三大關鍵技術進行攻關，為后續(xù)“墨子號”完成三大科學任務鑄造了堅實的階梯。

只要你敢想，我們就敢做！

“（這項成果）兼具潛在現(xiàn)實應用和基礎科學研究重要性的重大技術突破”。

——《Science》雜志審稿人

“‘墨子號’開啟了全球量子通信空間量子物理技術的大門，搶占了量子科學創(chuàng)新的一個制高點，成為國際同行的一個標桿，實現(xiàn)成為領跑者的一個轉(zhuǎn)變?！?/p>

——中國科學院院長白崇禮

“雖然第一艘宇宙飛船和第一顆人造衛(wèi)星是蘇聯(lián)做出來的，但是第一個登月的卻是美國。同樣在量子通信領域，只要我們努力肯定也能超過中國?！?/p>

——美國同行

“墨子號”圓滿完成三大科學任務

任務一：量子糾纏分發(fā)。

2017年的6月，“墨子號”衛(wèi)星將糾纏光子分別發(fā)到德令哈和麗江，這兩個地面站相聚1200公里，此后地面站進行了貝爾測量，驗證了其糾纏效應和貝爾不等式，標志著第一大科學任務“量子糾纏分發(fā)”的完成。相關結(jié)果在《Science》雜志上以封面的形式發(fā)表，轟動全球科學界。

任務二：星地量子密鑰分發(fā)。

任務三：地星量子隱形傳態(tài)。

2017年8月，研究團隊在國際上首次成功實現(xiàn)星地量子密鑰分發(fā)和地星量子隱形傳態(tài)。星地高速量子密鑰分發(fā)——衛(wèi)星發(fā)射量子信號，地面接收，即“下行鏈路”。地星量子隱形傳態(tài)——地面發(fā)射糾纏光子、衛(wèi)星在天上接收，即“上行”鏈路。這兩項任務在實際應用中互為補充，共同構(gòu)成了量子通信的兩個方面。

值得一提的是，由于外太空幾乎真空因而光信號損耗非常小，在1200公里通信距離上，星地量子密鑰的傳輸效率比同等距離地面光纖信道高20個數(shù)量級（萬億億倍）。

兩項成果于8月10日同時在線發(fā)表在國際權威學術期刊《自然》雜志上?！澳犹枴毙l(wèi)星三大科學任務完成，在國際上再次引起轟動。

下一步構(gòu)想

為實現(xiàn)全球保密通信，科研團隊計劃建立一個微納量子衛(wèi)星星座。組網(wǎng)所用的微納量子衛(wèi)星重量只有130公斤，與重630公斤“墨子號”相比，單星成本控制在千萬量級，能夠極大地降低組網(wǎng)成本。此外，“墨子號”不能實現(xiàn)一個密鑰分發(fā)實驗的多次進行或者全年的密集分發(fā)，而微納量子衛(wèi)星可以進行每年5000次的密鑰分發(fā)，而且是直接成碼發(fā)射。微納量子衛(wèi)星星座的目標是拓展量子密鑰通信應用場景，實現(xiàn)全球化的量子保密通信，建立信息一體的量子通信網(wǎng)絡。

微納衛(wèi)星的搖籃

我在微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院工作的十一年來，參與了多顆微納衛(wèi)星的研制工作。有神舟七號飛船伴星、天宮二號空間實驗室伴星、稀薄大氣科學實驗衛(wèi)星、寬幅高光譜微納衛(wèi)星雙星……

而正在研制中的微納衛(wèi)星，除了量子星座外還包括：能夠讓普通人用手機控制衛(wèi)星的軟件定義星；計劃今年10月份發(fā)射的centispace全球?qū)Ш皆鰪娤到y(tǒng)，這是一個低成本的，高性能的微納平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度定軌、星間通信、大功率的能源獲取、雙組元高比沖推進模塊等，并計劃建立120顆的低軌全球?qū)Ш叫腔鰪娦亲?；探尋引力波的GECAM衛(wèi)星等。

未來的衛(wèi)星將是什么樣子？我們想說：只要你敢想，我們就敢做！