“墨子号”——漫漫长路追星路

发文：印娟，我国科技进步大学老师，我国杰出青年科学基金获奖者，“墨子号”量子科学研究实验通讯卫星量子纠缠不清源荷载负责人室内设计师

墨子号是全世界第一架量子科学研究实验通讯卫星，是十二五期间项目立项的四颗插装式通讯卫星中的一个。它在 2011 年由中国科学院带头研制，于 2016 年 8 月 16 号在酒泉卫星发射中心发送，并此后进入了群众的视线。算一下研制周期时间，墨子号的研制一共大约花销了五年的時间。

通信卫星之后，最先开展了四个月的在轨检测，2017 年的 1 月 18 号宣布交付，供生物学家开展科学研究实验。墨子号设置的使用期限是2年，因而大家必须在2年内进行所有预订的科学研究实验。但事实上，在通信卫星以后一周年的 2017 年的 8 月，就早已完成了全部的实验。事后的这三年，大家一直都在进行相对的扩展实验。

从通信卫星迄今又过去了四年，再加上通讯卫星研制的五年，就有点儿类似上海市小孩子的九年基础教育体系：五年的中小学、四年的初中。很当然的，有九年基础教育，也就会有学龄前儿童的六到七年的時间。

2012 年末，《自然》杂志期刊以 “室内空间量子比赛”问题，详细介绍了在我国和欧州精英团队在自由空间量子通讯层面的市场竞争。殊不知，最开始在 2005 年，大家就早已在合肥市进行了第一个 13 千米的纠缠不清派发的实验。换句话说从 2005 年到 2011 年，再到 2020 年，它等同于经历了学前儿童、中小学和中学，现如今早已发展为一名高中学生。在全部那样一个成长阶段中，它究竟开启了什么那样的技术性，及其它又获得了什么很有显著性差异的成效？我眼中的自己今日要跟大伙儿详细介绍的內容。

最先我还是要介绍一下量子基本要素。量子是组成化学物质的最基础模块，它是动能的最基础的病毒携带者。日常日常生活的灯源，例如灯、太阳光等，你见到的是一个总体的色度，假如把那样的动能细分化，分到最终没法再切分的情况下，便是一个光量子。不可缺少的那样一个光量子，便是一个量子；一样，分子、分子结构也是量子的一种表达形式。只需记牢一点，量子是不可缺少的。除此之外，当用某一量子来做量子通讯的一些实验时，从理论上就不太可能再寻找一个跟它一模一样的量子，要我可以悄悄在旁边去观察它或是是干一切别的事儿，因此 它是唯一的。

量子还有一个特点：相关累加性。經典比特犬能够是在 0 或是 1 中的某一个情况，而量子比特犬能够处于 | 0> |1>的混合态，能够以不一样的占比混和。假如你去对它开展一切的精确测量的情况下，其情况便会塌缩，因此 它是唯一的。打一个简易的比如：一个飞快转动的钱币，在被拍下以前，你永远不知道他处在正脸還是背面；假如去拍它，它会依照一定的几率塌缩，但那一个塌缩后的情况并不是其初始的飞快转动的情况。因此 对量子的一次精确测量不能够获得其所有信息内容，因此也不可以再次结构，也也不可以被拷贝。

针对单颗粒的管理体系，融合前边上述的量子的不可缺少性、测不准特点、及其不能复制性，就产生了在量子密匙派发里安全系数的基本。而针对双颗粒的管理体系的相关累加性，会产生一个更有意思的特性——量子纠缠不清。

我是 “墨子号”量子科学研究实验通讯卫星新项目中，承担生产制造天空量子纠缠不清源的负责人室内设计师，由于后边的详细介绍会涉及到量子纠缠不清，因此 在这儿先介绍一下处在量子纠缠态的2个量子会有什么特点。大伙儿对 “薛定谔的猫”有一定的定义，这一猫很有可能会处在活的情况，或是是死的情况，或是是不死不活的情况。可是针对别的的量子，很有可能会出现很多种多样可以塌缩的情况，例如六面的摇骰子。当2个摇骰子处在纠缠不清情况的情况下，假如对在其中一个开展精确测量，倘若说它处于 3 的情况，那麼无论此外一个摇骰子距离多远，就算是跑到月球上来，它也会另外马上的塌缩到 3 的情况。这类状况即是量子纠缠不清，在那时候被牛顿称之为漫长地址中间的怪异互动交流。

量子纠缠不清那样一种不管隔开多远都是有关系的状况，能够用作量子通讯和量子隐型传态。除此之外能够用于检测量子结构力学的基础的定义，另外也是可升級量子信息资源管理之中的关键資源。

量子通讯是量子信息内容行业最贴近产品化的一个方位。而大家说到通讯，就期待地球上无论是什么地方的人，都是有很有可能创建那样一个通讯。因此 向更长距离的扩展，一直是量子通讯的很重要的研究内容。

在关键技术上，一开始有两条道路：光纤线量子无线信道和自由空间量子无线信道。光纤线无线信道是一个很完善的一个定义，如今的家庭装网络光纤，都早已能够入户口了。并且光纤线技术性也很完善，例如其耗损，每千米仅有 0.2dB。假如短路线应用得话，例如 10 千米、20 千米，它很有可能总是衰减系数一半的动能，这是一个非常好的方法。可是它的耗损伴随着间距指数值衰减系数，在 20 千米的衰减系数很有可能不大，可是假如长短做到 1000 千米时，0.2dB 乘于 1000 千米便是 200dB。200dB 是啥定义？假如一个光量子历经传送，最终剩余的几率是 10-20，那麼针对如今的灯源系统软件，我需要花 1000 年才可以传一个光量子以往，因此 光纤线量子无线信道就没有办法应用。它是光量子的原有耗损产生的难题。此外，光纤线还会继续跟自然环境有一些藕合，它促使量子态，包含前边提及的量子纠缠不清，会出现退相干的效用，因此 它就难以向更长远的间距发展趋势。而光纤线无线信道要做得较长，便会存有那样的难题。可是也是有许多 的同行业在做这些方面的事儿，由于终究在一些场所，例如局域网络，用起來還是很便捷的。

因此 科学研究的方位就挑选了自由空间的量子通讯，由于近路面的地球大气层等效电路薄厚大约在八公里上下，外太空的外边全是大部分是沒有耗损的，并且自由空间基本上沒有退相干效用。因此 从我进到这一行业逐渐，所从业的方位便是根据室内空间服务平台的自由空间量子通讯。

大家精英团队的实验室是在 2001 年开工建设的，那时候每一个元器件的构建，尤其是激光光路的平稳，都跌跌撞撞的，每一天都必须维护保养。这个时候不太可能立即在通讯卫星上做实验，因此 就必须把这个根据室内空间服务平台的 “瘋狂”构想，分为好几步走。

2003 年，明确提出自由空间量子通讯的设想；2004 年，完成 13 千米自由空间量子纠缠不清和密匙派发 [PRL 94，150501 （2005）]

▲ 2009 年，完成 16 千米自由空间量子隐型传态 [Nature Photonics 4，376 （2010）]

最先第一步，因为光量子不可以变大、不可以复制，并且传送耗损十分大，因此 必须让其先在空气中国传媒大学一段，要我见到它的存有。在一开始，大家干了一个 13 千米，一个 16 千米的实验，全是去认证、检测那样一个量子态，在越过等效电路空气十公里以后，它的量子态是不是仍然可以维持合理。

第一步的实验仅仅确保了在空气中远距传送的耗损是可以接纳的范畴，但那样的一个情况，還是没有办法确保上通讯卫星。而与通讯卫星中间的传送，除开要考虑到更修容的耗损以外，还必须考虑到发送的光张角的转变。除此之外，还必须确保光线对通讯卫星的跟瞄，这对实验的可靠性明确提出了很高的规定。

▲ 2011 年，完成 100 千米级自由空间量子隐型传态及其双重量子纠缠不清派发 [Nature 488，185 （2012）]认证在高耗损星地链接中开展量子通讯的可行性分析

▲ 2012 年，完成星地量子通讯的多方位路基认证 [Nature Photonics 7，387 （2013）]认证各种各样通讯卫星健身运动姿势下开展星地量子通讯的可行性分析

因此 第二步，大家挑选在青海湖仿真模拟星地真正链接，由于其达到仿真模拟星地真正链接对实验地址的规定，即 100 千米看着探及。在这儿，大家仿真模拟了通讯卫星健身运动的很多方式，例如先让旋转工作台在屋子里定点转动，激光发生器在远方跟瞄；随后让旋转工作台在车辆、起重机上旋转。或是让汽球把电动吊篮吊上去，再将汽球起飞，做竖直层面的跟瞄。又或者是在飞机上，做对飞机场的跟瞄，以模拟飞行速率迅速的状况。

▲ 高精度的动能屏幕分辨率：能够从地球上检测到在月球上引燃的一根火柴

根据这一系列来仿真模拟通讯卫星姿势的怪招，一些核心技术被开启，例如高精密的捕捉跟瞄技术性，这代表着我们在通讯卫星过顶的情况下，能够全自动捕捉上，及其高精度的动能辨别检测技术性，也有更关键的灯源技术性。从最开始的实验，到这一步实验完毕，灯源色度早已提高了 100 倍，为事后通讯卫星的项目立项立即确立了十分坚固的基本。

所述的实验是在 2011 年上下完毕。前边的一系列实验成效在 11 月份墨子号的项目立项论证过程是在具有了尤为重要的功效。在项目立项论述时，常说的科学研究的基础总体目标是开展通讯卫星和路面的量子密匙派发，扩展每日任务是开展室内空间限度的量子结构力学非定域性检测，及其路面和通讯卫星的量子隐型传态。但在全部研制的全过程中，科学研究精英团队把这三大任务并排当做了是大家务必要做的事儿。由于在灯源、链接和检测层面都保证了完美，因此 全部的科学研究总体目标可以在 2017 年之内进行。

举一个简易的事例，由于这是一个科学研究卫星，因此 能够为了更好地科学研究总体目标去做必需的调节。这颗卫星最开始实际上设计方案在 600 千米的路轨运作，而具体运作在 500 千米路轨。这一降轨在卫星的管理体系里边，归属于一个十分重特大的调节。而调节的原因是什么呢？缘故取决于扩展总体目标。扩展总体目标是地到天的全过程，便是源在地面上，探测仪在天空。但在研发的全过程中就发觉了，探测仪即使不启动，在天空遭受质子的辐照度以后，会出现偏移效用，它的噪音会迅速的提高。卫星上来一般都是有三到四个月的在轨检测，根据测算之后发觉，探测仪上来三到四个月之后，它的暗记数就提高到不能够做测验了。因此 大家就干了几层面的改善，一方面是根据一系列的电力电子技术上的减温、防电磁辐射等方式；此外一个便是把路轨从 600 千米降至 500 千米，由于在 500 千米下列，探测仪遭受地磁场方向的维护，辐照度会出现大幅度的降低。

在这里三个关键任务完成以后，科学研究精英团队这三年又进行了一系列的扩展试验。

墨子号是一个太阳同步轨道卫星，因此 它每晚在本地时的 12 点都是会掠过本地空中。例如家里北京，今晚中国北京时间的 12 点，它会过一次境；假如你一直在乌鲁木齐，它会在中国北京时间夜里的 2 点多过乌鲁木齐，由于乌鲁木齐的本地时是 12 点；到中国北京时间第二天早晨的 7 点，又到欧州夜里的深夜的 12 点了，它又掠过巴黎。那样一个航行以后，卫星能够跟路面上随意一个点做量子通信，通讯完之后，卫星跟全部的人都是有密钥，卫星的功效等同于一个无线中继点。

可是要用密钥的人都是在路面，那麼该怎么办？倘若巴黎想跟乌鲁木齐中间创建密钥，而天空的卫星了解这两个密钥，只需做一个与或的或运算，并把結果发送给乌鲁木齐，乌鲁木齐用它的密钥把密码翻译一下，就跟巴黎一一对应了。因此 这一全过程中，卫星做为一个可靠的无线中继，为什么是可靠？卫星了解全部的事儿，假如你从卫星上取得信息，卫星就能清晰地了解巴黎和乌鲁木齐中间取走的是啥信息，而卫星能够把这个信息编解码。

除开可靠无线中继计划方案外，也有此外一种通讯计划方案可以仅让通讯的彼此了解相互之间的信息，而仅把卫星做为一个造成纠缠和派发纠缠的一方。因为处在纠缠态的2个光量子，不管分到哪里，即便分到地面站，依然会处在纠缠情况。那麼这两人只需检验到它的纠缠，就可以拿它来转化成密钥，并且是一对一的密钥。选用这一方法之后，由于卫星它沒有对纠缠开展一切的实际操作，沒有得到 一切的信息，因此 密钥只在地面上的双方来造成。即便卫星并不是自身造的，只是其他国家造的，乃至就是你自身造却被他人操纵了，也没有关系，由于密钥只在于你自己对纠缠的检验。

虽然第二个计划方案安全性更强，但如今它的视频码率极低，数量级在 0.1bit/s。而第一个计划方案的视频码率在 1kbit/s。由于卫星是我们自己造的，因此 卫星是彻底能够坚信的，并且用它来做一些商业的登陆密码。而第二个计划方案的密钥量十分的少，假如要累积充足的密钥来用，必须十分多的資源，因此 它可以用在一些高级、对安全等级规定高些的，对密钥量要求并不大的场所。从运用上去二种计划方案有各的优点。

▲ 检验吸引力致纠缠退相干状况的试验平面图

除开量子通信方位，墨子号还去干了一些试着，比如吸引力造成 纠缠退相干的实体模型。物理学和广义相对论是当代物理学理论框架的2个支撑，可是他们中间都还没极致的结合，可是现如今发生了许多 的基础理论。广义相对论强调，在地球上引力场的状况下时光会弯折，时光的弯折会造成 時间的平移变换。假定纠缠的一对光量子中，有一个光量子在地面上放着，此外一个发至卫星上，在飞的全过程之中，它前后左右光量子，原本是排着队一起走，一对一的跟地面上，可是在飞的全过程中遭受吸引力的危害，而跟地面上的光量子不同歩。便会造成 在数光量子时，假如只数发到卫星的这一路时，它和未遭受吸引力危害时同样，但当与地面上的光量子关系时，便会见到这个地方摔下去了，就不一样了。

假如见到掉下来的全过程，就表明观查到吸引力造成 退相干的結果。事实上，试验結果是合乎物理学的，結果是合乎物理学的：不管光量子飞多远，试验結果還是见到一对一对的，并沒有发觉吸引力危害了检测的結果。因此 大家和基础理论的创作者一起，把他原先的理论模型开展了升級。如今卫星 500 千米（路轨）太低了，因此 必须高些的路轨，很有可能便会观查到吸引力产生的效用。接踵而来的是高些的试验规定。此外，墨子号还能够开展高精密的安全视频的传送。这儿就不会再过多阐释了。

▲ 墨子号滑过夜空

卫星发送之后，它事后获得的一些成效都得到 了非常好的国际性点评，这四年一直维持着它的关注度。在上年年末，《自然》杂志期刊在它评比的 21 新世纪 10 时代的科学研究热点事件，“墨子号”的成效也纳入了在其中。而 “墨子号”的第一个公布的成效，便是 Science 上发布双重纠缠密钥派发結果，也得到 了当初英国科学研究研究会的 “克里夫兰奖”。它是在 1923 年开设，九十多年至今，在我国当地的成效初次得到 这一荣誉奖。

“墨子号”的新一代会有哪一些事儿要做？尽管 “墨子号”很取得成功，可是它仅仅一颗低轨的卫星，它过一个站的時间仅有六分钟上下，仅能覆盖面积 1000 千米直徑的范畴，并且只有在地影区工作中，因此 它离具体运用也有一定的间距，做为科学研究工作人员，大家也有许多 事儿要做。

大家将来的总体目标是要完成经济全球化的量子通信，这就需要根据 “量子科技十二星座”来进行。最先就需要运用 “墨子号”上早已完善的技术性，把它保证微型化，并应用多个卫星组网方案。假如卫星的品质保证 50 KG上下，其研发、发送成本费会出现很显著的减少。根据三到五颗的那样的卫星组网方案就可以遮盖全部地球上。地面上的某一个站能够不断一个星期更新密钥，在基本的商业服务运用层面会具有非常好的功效了。

除开一颗低轨的卫星，学者们还必须把眼光投到高些的中高轨卫星，乃至是同步轨道。可是到同步轨道，卫星仅有 0.6% 的机遇是在地影区，别的全是被太阳光点亮的。因此 也要处理的一个难题便是地面站不可以在大白天进行试验这一限定。除此之外，除开天空的卫星组网方案，还必须将目前的地面站微型化。

总的来讲，大家的总体目标是要创建一个详细的乾坤一体化的多源量子科技保密性通讯网络体系结构，而且跟經典网络通信完成无缝拼接的连接，一同融合，完成安全性的保密性通讯。

注：文中內容依据印娟专家教授于墨子沙龙活动当场演说编译程序梳理而成