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揭秘“墨子号”:量子卫星到底有多牛?

2016/8/17 14:32:19 4205 来源: 中国科技网 作者: 分享到

    从最初的研制到发射,量子卫星承载了太多关注的目光与期许,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联通。这就好比在万米高空,往地面的一个存钱罐里扔硬币,需要准确地将硬币投掷于储蓄罐的狭小入口。如果出现一点点偏差,信息的传递便会功亏一篑。

    “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。”王建宇介绍说,量子里面有两组状态,一组是正交的,一组是倾斜45度的,所以,一共有四个不同的偏正状态。

    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,它们都在不停地旋转运动。

    “这就是瞄准和检测偏正的最大难度所在,我们要在双方都处于运动状态的情况下完成信息传递。”王建宇强调,稍微对不上一点点都不行,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%之间。”

    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。那么,这是一个什么概念呢?

    “一个60瓦的灯泡,每秒钟发射的光子数大约是10×10的二十次方个,而一根火柴的最大光亮大约是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,我们在地球上用望远镜可以看到它的亮光。

    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,才能捕获来自太空中的一颗颗光子。否则的话,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,信息传递就是必须发送端和接收端是能够对的上的,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一个纳秒,也就是在一秒钟之内,把一亿个光子全都排列好。”

    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趟过来、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。我们相信通过自己研究总能成功,心里有这个底。此外,中国已经有很多例证,尽管起步晚,但却实现了赶超。”王建宇如是说。

    然而,量子卫星不一样。“这个东西到底行不行,刚开始做的时候,我们心里真的是没底。”王建宇感概地说,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,这仅仅是个开始吧。”

    (文章来源:中国科技网、科学网)