[科普中国]-“墨子号”量子科学实验卫星：十年历程 铸剑五载

　　据光明日报消息，16日1时40分，世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”成功在酒泉卫星发射中心发射升空。量子卫星的成功发射和在轨运行，将有助于我国在量子通信技术实用化整体水平上保持和扩大国际领先地位，实现国家信息安全和信息技术水平跨越式提升。

　　2016年8月16日1时40分，我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将世界首颗量子科学实验卫星发射升空。 新华社记者 金立旺摄

　　据介绍，不同于经典通信，量子通信的安全性建立在量子不可分割、不可克隆等量子物理基本原理的基础上，从原理上讲是无条件安全的。因此，量子通信可以从根本上解决国防、金融、政务等多领域的信息安全问题。也正因如此，量子通信一直得到国际上的高度重视，各国间的竞争非常激烈。

　　“墨子号”量子卫星的主要科学目标是借助卫星平台，进行星地高速量子密钥分发实验，并在此基础上进行广域量子密钥网络实验，以期在空间量子通信实用化方面取得重大突破。同时，在空间尺度进行量子纠缠分发和量子隐形传态实验，开展空间尺度量子力学完备性检验的实验研究。它不仅将助力于我国国家信息安全，还有望推动我国科学家在量子科学前沿领域取得重大突破，对于推动我国空间科学卫星系列可持续发展具有重大意义。

　　该量子卫星由我国自主研发，突破了一系列高新技术，如高精度跟瞄、星地偏振态保持与基矢校正、星载量子纠缠源等工程级关键技术，卫星设计寿命为两年。同时还建设了以4个量子通信地面站和1个量子隐形传态实验站为核心的天地一体化量子科学实验系统。

　　“墨子号”量子卫星是中国科学院空间科学先导专项首批科学实验卫星之一，也是该专项完成发射的第三颗科学卫星。此前，暗物质粒子探测卫星“悟空”和微重力科学实验卫星“实践十号”已成功发射并执行科学任务。

　　2016年8月16日1时40分，我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将世界首颗量子科学实验卫星（简称“量子卫星”）发射升空（拼版照片）。此次发射任务的圆满成功，标志着我国空间科学研究又迈出重要一步。量子卫星是中国科学院空间科学先导专项首批科学实验卫星之一，其主要科学目标是借助卫星平台，进行星地高速量子密钥分发实验，并在此基础上进行广域量子密钥网络实验，以期在空间量子通信实用化方面取得重大突破；在空间尺度进行量子纠缠分发和量子隐形传态实验，开展空间尺度量子力学完备性检验的实验研究。新华社记者 金立旺摄

　　下面，光明网军事科技前沿栏目就带您一起了解量子科学实验卫星。

　　2011 年，中国科学院论证并启动了空间科学先导专项，2011 年底，量子科学实验卫星项目正式立项。这既意味着中国科学家向完全自主研发世界首颗量子科学实验卫星发起挑战，更意味着中国或将先于欧美拥有量子通信覆盖全球的能力。

　　十年历程，铸剑五载。虽然立项于2011年，但若从前期技术贮备就开始算起，这条路中国足足走了十多年之久。

　　图：量子科学实验卫星正样星

　　十年积淀

　　量子通信和量子计算研究兴起后，世界各地的物理学家都纷纷开始构思可扩展量子信息处理网络的实现。在量子通信领域，当大多数人仍致力于实验室内部的原理性演示时，中国科学技术大学潘建伟团队已经开始思考如何能够在太空中实现量子信息传输，并早在2003年就初步构了量子科学实验卫星计划。

　　在这一背景下，2005年，潘建伟团队实现了13公里自由空间量子纠缠和密钥分发实验，证实光子穿透大气层后，其量子态能够有效保持，从而验证了星地量子通信的可行性。在星地自由空间量子通信重大突破的迹象出现后，中科院高瞻远瞩，适时超常规启动了两个知识创新工程重大项目——“远距离量子通信实验研究”和“空间尺度量子实验关键技术与验证”。

　　在创新工程重大项目的支持下，潘建伟团队实现了16 公里自由空间量子隐形传态，并与中国科学院上海技术物理研究所、上海微小卫星工程中心、中国科学院光电技术研究所等研究机构强强联手，发展了一系列自由空间量子通信的关键技术，先后实现了百公里级自由空间量子通信、星地量子通信的全方位地面验证等重要实验，为实现星地量子通信奠定了坚实的科学与技术基础。

　　至此，星地量子通信的可行性已经得到充分验证。此时，中科院果断决策启动量子科学实验卫星工程立项论证，并将其列为空间科学先导专项的内容。

　　工程总体与六大系统

　　量子科学实验卫星的科学目标是开展星地高速量子密钥分发实验，并在此基础上进行广域量子密钥网络实验，以期在空间量子通信实用化方面取得重大突破；在空间尺度进行量子纠缠分发和量子隐形传态实验，开展空间尺度量子力学完备性检验的实验研究。

　　对于科学卫星来说，有效载荷的配置尤为重要，直接关系到能否将科学指标转化为工程指标，并实现科学目标。

　　为了满足量子科学实验卫星的科学目标要求，工程对有效载荷配置和指标要求进行了综合分析和论证，邀请领域专家进行讨论和评定，经过两次科学目标和有效载荷配置评审后，才最终确定了星上载荷配置。

　　之后，工程各系统根据卫星可行性方案开展了系统可行性论证，完成并通过了立项综合论证，进而明确了工程研制任务：研制一颗量子科学实验卫星，研制生产一发长征二号丁运载火箭，在酒泉卫星发射中心将卫星发射至高度为500 公里的预定轨道。同时建设以4 个量子通信地面站和1 个空间量子隐形传态实验站为核心的天地一体化量子科学实验系统。

　　随后，借鉴以往卫星工程管理经验，同时也根据量子科学实验卫星的特点和实际需求，设置了工程总体和六大系统，包括卫星系统、运载火箭系统、发射场系统、测控系统、地面支撑系统和科学应用系统。

　　图: 科学应用系统地理分布

　　工程总体负责制定工程研制计划，编制工程顶层文件，组织工程重大活动，协调系统间问题，同时对工程整个研制过程进行监督和管理。

　　六大系统分工明确：卫星系统主要负责卫星平台和有效载荷的研发，载荷包括量子密钥通信机、量子纠缠发射机、量子纠缠源和量子实验控制与处理机；运载火箭系统主要负责运载火箭的研制和生产；发射场系统选择酒泉卫星发射中心作为量子科学实验卫星的发射场，主要承担运载火箭和量子科学实验卫星的测试、发射任务，并提供地面技术支持与勤务保障；测控系统负责对运载火箭主动段提供测控支持，对卫星平台实施测控及长期运行管理，支持开展科学实验，向地面支撑系统传输原始遥测数据，接收地面支撑系统传送的科学实验数据并完成数据的上行发送和下行接收；地面支撑系统负责提供实验任务运行控制管理、数据接收、预处理、管理和归档等公用性支撑服务，是连接科学应用系统和测控系统的纽带，任务要求包括实验数据接收、实验任务运控管理、数据预处理与归档管理和地面通信网络支持等；科学应用系统负责整个量子科学实验卫星工程科学实验计划的制订、科学实验的实施、科学数据和应用的处理传输存储管理与发布，其系统配置为：1 个中心—— 合肥量子科学实验中心，4 个站——南山、德令哈、兴隆、丽江量子通信地面站，1 个平台—— 阿里量子隐形传态实验平台。

　　图:乌鲁木齐南山地面站

　　关键技术

　　作为我国自主研发的星地量子通信设备，量子科学实验卫星突破了一系列高精尖技术，既包括“针尖对麦芒”的星地光路对准、偏振态保持与星地基矢校正、量子纠缠源等工程级关键技术，也包括与有效载荷相关的多项先进技术。

　　量子科学实验卫星需要在两年的设计寿命中完成四大任务：星地高速量子密钥分发实验、广域量子通信网络实验、星地量子纠缠分发实验和地星量子隐形传态实验。这些实验将通过我国自主研发的星地量子通信设备完成，它能够产生经过编码的、甚至是纠缠的光子并发射到地面上，与之对接的地面系统则负责“接收光子”，这种光子的发射与接收被称为“针尖对麦芒”。

　　然而这却不是一件容易的事情。量子科学实验卫星十分复杂，在它飞行的过程中，携带的两个激光器要分别瞄准两个地面站，向左向右同时传输量子密钥。这就要求在飞行的过程中必须始终保证精确对准，跟踪要达到相当高的精度，这也是国际上从来没有人做过的。

　　“激光器一站对一站的有人做过，但是一颗卫星对准两个地面站的从来没有过，而且还要保证对得准确……如果能够做到的话，在国际上也是第一次做这么高精度的跟踪和地面站配合。”中国科学院国家空间科学中心主任、空间科学先导专项科学卫星工程常务副总指挥吴季告诉我们。

　　为了让穿越大气层后光子的“针尖”仍能对上接收站的“麦芒”，量子科学实验卫星工程常务副总师兼卫星总指挥、中科院上海技术物理所王建宇研究员带领团队，与潘建伟团队一道，从2012 年起就开始进行各种实验——如收发距离40 公里的转台实验，与卫星绕地运行的角速度一致；又如30 公里距离的车载高速运动实验，考验超远距离“移动瞄靶”能力；再如热气球浮空平台，在空地环境下模拟量子密钥分发……

　　此外，单颗卫星的量子通信还只是最简单的点对点的信息传递。加上白天强烈的日光背景，目前的星地量子通信还只能在夜间进行，这就进一步限制了星地量子通信的效率。由于量子科学实验卫星的在轨设计寿命仅为两年，因此任务十分紧迫。除了星地光路对准，星地链路偏振态保持与基矢校正也是另一个技术

　　难点。为了突破这一瓶颈，研究人员首先通过载荷模样机研制，验证偏振性能，确定分色片等关键部件的技术状态；再进行地面站偏振保持方案原理验证，确定复核基矢校正计算算法；然后确定基矢测量受外界条件影响方式以及搭建地面站模拟终端进行载荷样机与地面站模拟终端联合试验等方式和渠道，终于明确了偏振态保持和基矢校正关键技术的实现方案和技术状态，并有效验证了关键技术的各项技术指标，确认其能够满足科学目标的需求。

　　量子科学实验卫星的科学目标之一是量子纠缠分发实验，在轨需要在星上制备高亮度纠缠光源，并将产生的纠缠光子对通过量子密钥通信机和量子纠缠发射机同时向两个地面站发射。

　　量子纠缠源的航天工程化也是量子科学实验卫星的一项关键技术。研究人员从纠缠源亮度、对比度、中心波长和光学接口指标几个方面着手，细化工程化指标，提炼出窄线宽泵浦激光器的空间适应性、高精度Sagnac干涉仪稳定性以及空间光纤极化控制三大技术难点，通过模样机的研制以及单模、保偏两种光纤极化控制方案的并行攻关，最终明确了量子纠缠源及光接口的技术状态，设计保证了关键技术的各项技术指标，且具有较大的裕度，满足科学任务的需求。

　　此次，量子科学实验卫星将包含4 个有效载荷，分别是量子密钥通信机、量子纠缠发射机、量子纠缠源、量子实验控制与处理机。而针对4 个载荷的技术攻关，也耗费了科学家和工程技术人员的大量时间和心血。在高质量量子光束及低损耗链路技术方面，科学家们开展了近衍射极限量子光发射技术研究，理论分析了光纤出射光经过准直镜发射远场分布。分析表明，通过增大出射口径、提高光学质量等手段可优化发散角。

　　图: 量子密钥通信机

　　图: 量子纠缠发射机

　　图：量子纠缠源

　　图： 实验控制与处理机

　　于是，技术人员选择采用一定口径和焦距的光学系统进行实验室试验验证，最终实现了小于15urad 的量子光发射发散角，并接近衍射极限。

　　在快速指向镜研制及超前瞄准技术方面，研究人员完成了自行研制快反镜的详细设计，进行了关键参数计算分析及系统建模，并完成了重要部件选型。产品指标为指向范围大于6mrad，固有频率大于1kHz。

　　在高亮度纠缠源技术方面，研究人员成功研制了高亮度量子纠缠源载荷单机，指标满足要求，并成功模拟了高损耗的量子纠缠分发实验。实验数据显示，以目前量子纠缠源产品的亮度和品质，足以实现单边链路损耗40dB 的纠缠分发。

　　协同攻关

　　如今，随着量子科学实验卫星关键部件的成功交付，卫星发射准备就绪。但这一过程却凝聚了科学家团队和全体参研参试工程人员的心血。正是得益于工程队伍的协同攻关，团结一致，才保障了项目的顺利完成。

　　量子科学实验卫星不同于其他卫星的一个显著特点是星上和地面协同完成科学实验，即天地一体化实验，而且科学实验的数据流和指令流链路也较其它卫星更为复杂。在工程研制初期，虽然科学家团队对科学目标和科学实验都了如指

　　掌，但是很多工程研制人员还是对在轨科学实验流程感到困惑。由此由工程总体组织、科学应用系统编制了《量子科学实验卫星工程天地一体化实验流程分析报告》。科学家团队和工程各系统研制队伍之间通过对天地一体化实验流程的不断讨论和细化，接口关系和任务分工不断明确，使得工程队伍逐渐对科学实验及其过程有了清晰的认识；并在工程正样研制阶段，通过大系统联试进一步验证了在轨科学实验流程，以及系统间数据流和指令流的协调匹配性。

　　在研制过程中，各系统研制团队通力合作，精益求精。卫星系统在方案阶段完成了星地光路对准、星地链路偏振态保持与基矢校正、星上量子纠缠源三项关键技术攻关，并通过了关键技术攻关评审；明确了卫星的总体技术方案，完成了整星初样设计，为工程实现奠定了基础。

　　初样阶段，卫星系统完成了结构热控星、电性星、鉴定星研制与试验，同时完成了卫星与运载、测控、地面支撑系统的对接试验和星地光路对准、量子密钥分发、量子纠缠分发、量子隐形传态四项地面验证专项试验，充分验证了光轴对准精度等关键指标，科学实验的功能与流程具备在轨开展科学实验任务的能力。

　　正样阶段，卫星系统以正样星生产与试验为主线，同时并行开展与其它系统接口对接试验；2015年11月至2016年5月，整星陆续通过了桌面集成测试、真空热试验、EMC 试验、正弦振动试验、噪声试验、帆板展开与光照试验、精度复测、质量特性测试和磁测试等等正样环境试验，并通过了科学任务流程演练和整星老练，各项试验均满足要求。

　　图：EMC试验

　　图：磁试验

　　图：帆板安装

　　图：振动试验

　　此次项目的工程研制任务除了研制一颗量子科学实验卫星外，还需研制生产一发长征二号丁运载火箭，由航天科技集团第八研究院负责建造。对于预定轨道，火箭运载能力不小于650 kg；运载火箭整流罩内包络的尺寸大于1600 mm×1800 mm×1800 mm。

　　CZ-2D 运载火箭在运载火箭梯队素来有“金牌火箭”的美誉，曾26次执行飞行任务，成功率达到百分之百。然而每一次任务，航天八院还是当作第一次生产和研制来对待，这一次也不例外，严格按照系统化、标准化的流程高质量完成每一个环节的研制工作，充分开展地面试验和考核，力求圆满执行发射任务。

　　发射场系统和测控系统研制团队有着多年丰富的航天发射和测控经验。这样一位成熟老道的合作伙伴，面对量子科学实验卫星却仍然积极学习卫星的特点和要求，全力配合开展适应性改造；按照工程总体的规划流程，组织完成了与卫星系统、地面支撑系统等各系统的初、正样对接试验，配合完成大系统联试。现在，他们正砺兵秣马，等待量子科学实验卫星的到来。

　　科学应用系统负责科学实验计划的制定、科学实验的运行控制、科学数据和应用的处理传输存储管理与发布，是整个量子科学实验计划的大脑；同时科学应用系统将与卫星系统一起构建天地一体化系统；科学应用系统还负责建设完成科学实验任务所需的科学实验中心、广域量子密钥应用平台、光学地面站和空间量子隐形传态实验站。

　　中国科学技术大学作为科学应用系统总体，全面承担起规划和建设工作。从总概算到建设流程，以及与协作单位协商和建设，都做了周密部署。

　　中科院国家天文台作为量子科学实验卫星科学应用系统的参研单位，主要负责地面站建设和改造分系统工作，并参与总体集成与科学实验中心分系统和新建望远镜分系统部分工作。

　　在地面站的建设过程中，国家天文台充分利用其在天文观测和野外台站运行的经验，与科学应用系统的科学目标相结合，设计并参与建设了适用于量子科学实验卫星观测的地面站系统。

　　为提升量子科学试验的自动化程度，国家天文台为各个地面站研制了综合控制系统，用于科学实验计划的导入、设备调度、科学数据采集和实验参数实时反馈；并自主提出环境监测系统，为地面站运行和在轨实验提供全天云图、夜天光、温湿度、气压、风速和风向等环境参数，保证设备安全运行和科学数据的有效性。

　　中科院光电技术研究所新研制的南山和德令哈地面站1.2m 口径望远镜和改造的兴隆和云南的两台米级望远镜，是量子通信系统的核心组成部分。

　　在中科院光电所团队的攻坚克难下，在地面大口径望远镜接收量子信号光技术方面，团队提出基于实时扰动估计的控制方法，突破了高动态范围高精度望远镜机架控制技术，实现了对星上终端“针尖对麦芒”的稳定跟瞄功能，望远镜的跟踪精度和指向精度指标远远优于任务书的指标要求。同时，望远镜在宽光谱光高效率传输技术以及量子纠缠和密钥光的高保偏接收技术方面也有重大突破。

　　此外，团队在国际上首次研制完成宽光谱、高效率、高保偏、高精度的望远镜光学系统和速度动态范围大、抗扰能力强的望远镜伺服控制系统，以及工作状态可配置的望远镜操控系统，在同一台望远镜上可同时完成量子通信、相干激光通信的实验任务以及天文观测任务，其中跟踪精度、指向精度和信号光高保偏等，均达到国际领先水平。

　　现在，新建望远镜已成功交付科学应用系统，南山、德令哈、兴隆地面站已经成功通过科学应用系统组织的测试验收，剩余工作正在紧锣密鼓的开展，以迎接量子科学实验卫星发射及后续在轨实验工作的开展。

　　图:新建望远镜

　　地面支撑系统建设中的一个突出问题是，面临同时开展几颗卫星的研制、在轨测试和运行管理的局面。这就要求系统必须具有同时支撑多星的能力，并且也对技术系统、人员素质都提出了更高的要求。这些问题无法回避，也不能回避。

　　对此，地面支撑系统迎难而上，充分发挥主观能动性，对系统业务软件进行有效、合理的调整，采取“基础平台框架+ 各卫星专用软件”的体系结构，从而确保了对每颗卫星只需将部分软件进行适应性完善即可进行支撑。也就是说，今后不必再大规模地重新建设支撑系统，可谓是一劳永逸。

　　而对于多星同步支持问题，地面支撑系统在系统规划设计阶段就未雨绸缪地充分考虑了这一需求。“整个系统具备多任务功能，支持多星，并可对未来任务进行扩展。同时，在人员和管理方面也进行针对性训练。”地面支撑系统总指挥王树志告诉《科学新闻》。

　　虽然如今量子科学实验卫星可谓“万事俱备，只欠东风”。但从长远来看，“要实现全球化量子通信，还需要长期的努力，特别是需要多颗卫星的组网”，量子科学实验卫星科学应用系统总师兼卫星系统副总师、中国科大微尺度物质科学国家实验室研究员彭承志表示。这条征途没有尽头。在首颗量子科学实验卫星发射成功、卫星组网的关键技术得以突破后，中国还将发射多颗卫星，计划到2020 年，实现亚洲与欧洲的洲际量子密钥分发，建成连接亚洲与欧洲的洲际量子通信网；到2030 年左右建成全球化的广域量子通信网络。■

　　量子科学实验卫星大事记

　　2009年12月空间科学先导专项参加战略性先导科技专项实施方案评议会，并在16个建议专项中名列前三名。经中科院党组会审议，确定为拟于第一批启动的专项之一。

　　2010年3月31日国务院第105 次常务会议审议通过中科院“创新2020”规划，由中科院组织实施战略性先导科技专项。

　　2010年9月25日中科院组织召开战略性先导科技专项咨询评议会。空间科学先导专项作为8 个候选专项之一参加并通过了专家咨询评议。

　　2010年10月28日空间科学先导专项实施方案通过空间科学先导专项实施方案论证评审。

　　2011年12月14日量子科学实验卫星项目完成立项综合论证。

　　2011年12月23日量子科学实验卫星工程启动暨动员会在京召开，标志着量子科学实验卫星正式进入工程研制阶段。

　　2012年12月10日量子科学实验卫星工程方案转初样研制阶段动员会召开，标志着量子科学实验卫星工程正式转入初样研制阶段。

　　2014年9月1~3日中科院发展规划局组织召开空间科学先导专项中期检查专家评审会，专项顺利通过中期检查。

　　2014年12月30日量子科学实验卫星通过初样转正样阶段评审，正式转入正样研制阶段。

　　2015年12月6日量子科学实验卫星系统与科学应用系统完成星地光学对接试验，验证了天地一体化实验系统能够满足科学目标的指标要求。

　　2016年2月25日量子科学实验卫星工程完成大系统联试。

　　2016年4月11日运载火箭完成出厂评审。

　　2016年8月16日1时40分，世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”成功在酒泉卫星发射中心发射升空。