中国科大主导研制的全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”成功发射 2016-08-19

2016年8月16日01时40分,由我校主导研制的世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功发射升空。“墨子号”是中科院空间科学先导专项中首批确定立项研制的4颗科学实验卫星之一,它的成功发射和在轨运行,不仅将助力于我国广域量子通信网络的构建,服务于国家信息安全,还将开展对量子力学基本问题的空间尺度实验检验,加深人类对量子力学自身的理解。

 

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

界首颗量子科学实验卫星发射升空。新华社记者 金立旺摄

 

量子通信基于量子物理学的基本原理,克服了经典加密技术内在的安全隐患,是迄今为止唯一被严格证明是无条件安全的通信方式,可以从根本上解决国防、金融、政务、商业等领域的信息安全问题。目前,基于光纤的城域和城际量子通信技术正在走向实用化和产业化,我国在这方面已经走在了世界前列。但是由于光纤的固有损耗以及单光子状态的不可复制性,目前点对点光纤量子通信的距离难以突破百公里量级。因此,要实现广域乃至全球化的量子通信网络,还需要借助卫星的中转。

 

因此,从2003年起,我校潘建伟教授率先开展远距离自由空间量子通信实验研究。2004年底,潘建伟团队在合肥市大蜀山实现了13公里自由空间的量子纠缠分发和量子密钥分发,在国际上首次证实了光子纠缠态在穿透大气层后,其量子性质仍然能有效保持,验证了星地量子通信的可行性。此后,在“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”两个中科院知识创新工程重大项目的支持下,潘建伟团队联合中科院上海技术物理研究所、中科院微小卫星工程中心等单位,开展了一系列关键技术突破与地面验证实验,先后实现了16公里自由空间量子隐形传态、100公里级自由空间量子隐形传态和双向量子纠缠分发、星地量子通信的全方位地基验证等重要实验,为实现星地量子通信奠定了坚实的科学与技术基础。

 

在完成上述系列关键技术突破的基础上,2011年底,由我校牵头提出并策划的中科院战略性先导科技专项“量子科学实验卫星”正式立项,潘建伟院士担任专项首席科学家。量子科学实验卫星建设和研制任务包括卫星系统、运载火箭系统、发射场系统、地面支撑系统、测控系统和科学应用系统六大系统。我校牵头负责确立整个专项的科学研究目标、总体技术目标和总体实验基本方案,负责科学应用系统的研制,并与中科院上海技术物理研究所合作完成有效载荷研制,包括负责研制量子纠缠源、量子实验控制与处理机,参与研制量子密钥通信机、量子纠缠发射机;上海微小卫星工程中心负责卫星平台研制;中科院国家天文台和中科院光电技术研究所负责量子通信地面站的建设。量子科学实验卫星突破了包括同时瞄准两个地面站的高精度星地光路对准、星地偏振态保持与基矢校正、星载量子纠缠源等一系列关键工程技术。

 

“墨子号”重量约640公斤,设计寿命为两年,运行在高度约500公里的极地轨道。目前“墨子号”已进入预定轨道,开始为期约3个月的在轨测试。平台和载荷各单机加电自检已完成,正在进行卫星平台的测试工作。后续将开展有效载荷的自测试、地面站配合的载荷测试、天地一体化链路测试等工作。所有测试完成后,将在首席科学家的领导下,由科学应用系统组织完成星地高速量子密钥分发、广域量子通信网络、星地量子纠缠分发以及地星量子隐形传态等多项科学实验任务,实现专项预定的科学目标。

 

值得指出的是,正是由于中科院的前瞻布局和快速决策,使得我国抢占了先机,并在国际上起到引领作用。由奥地利科学院院长、维也纳大学教授Anton Zeilinger领导的研究团队主动请求加入到我国的量子卫星项目中开展合作研究。在中科院与奥地利科学院的合作框架下,“墨子号”将实现北京与维也纳之间的洲际量子密钥分发。继奥地利之后,德国、意大利、加拿大等国也请求加入开展国际合作,我校也即将与其签署协议,共同探索全球化的量子通信。

 

量子科学实验卫星之所以命名为“墨子号”,潘建伟说,“墨子不仅是我国历史上著名的哲学家,也是非常重要的科学家。他设计了世界上第一个小孔成像实验,验证了光沿直线传播这一光学基本定理,在一定程度上为后来的光学发展奠定了基础。因此,以‘墨子’来命名,既与量子卫星的使命相符,也体现了我们的文化自信。”

 

另一方面,今年底,由我校牵头承担的国家发改委“京沪干线”广域量子通信骨干网络工程也将建成并全线开通。京沪干线将建成连接北京、上海,贯穿济南、合肥等地,全长约2000公里的大尺度量子通信技术验证、应用研究和应用示范平台。结合量子科学实验卫星和京沪干线,将初步构建我国天地一体化的广域量子通信网络基础设施,为推动量子通信技术的深入应用、形成战略性新兴产业奠定坚实的基础。量子科学实验卫星的成功发射和京沪干线的建成,标志着我国在量子通信技术和应用方面已全面处于国际领先地位,正如英国《自然》杂志所评论的,“中国从十年前不起眼的国家发展为现在的世界劲旅,将领先于欧洲和北美……”。

 

(微尺度物质科学国家实验室、中科院量子信息与量子科技前沿卓越创新中心、科研部)

 

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