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量子科学实验卫星

量子科学实验卫星“墨子号”
所属组织中国科学院
主制造商中国科学院上海微小卫星工程中心[1]
任务类型量子科学实验
入轨时间2016年8月16日1时51分29.789秒
发射时间2016年8月16日1时40分04.546秒
运载火箭长征二号丁运载火箭 遥三十二
发射地点酒泉卫星发射中心
任务时长两年
COSPAR ID2016-051A
质量631公斤
轨道参数
轨道类型太阳同步轨道
倾角97.36°[2]
远拱点584公里[2]
近拱点488公里[2]
周期94.6分钟

量子科学实验卫星(简称量子卫星;英语:Quantum Experiments at Space Scale,简称 QUESS[3]),定名为墨子号[4][5],是世界首颗量子科学实验卫星[6],质量为631公斤,设计寿命2年[7]。量子卫星项目为中国科学院空间科学先导专项项目之一,由中科院国家空间科学中心抓总负责,于2011年12月立项[8]。2016年8月16日1时40分,卫星于酒泉卫星发射中心搭载长征二号丁运载火箭发射升空[9][10],成为全球第一颗设计用于进行量子科学实验的卫星[11][12]

2017年6月16日,墨子号首先成功实现,两个量子纠缠光子被分发到相距超过1200公里的距离后,仍可继续保持其量子纠缠的状态[13]。2019年,墨子号整体实验设计获美国《科学》杂志评选得克利夫兰奖[14]

命名

量子卫星命名为“墨子号”,是为了纪念中国战国时期思想家、教育家、科学家,墨家学派的创始人墨子物理学尤其是光学领域的突出成就,在他所著的《墨经》中归纳出“光学八条”。[15]其中包括两千多年前,墨子进行了世界上最早的小孔成像实验,最先发现了沿直线传播这一光学领域最重要的科学原理[16],奠定了光通信的基础。而且他也提出了“粒子论”的雏形,关于“端”的论述,指出“端”是不占有空间的,是物体不可再细分的最小单元。[4][17][18][19]

以科学先贤为科学卫星命名以彰显研发国家的文化和科学成就,亦是国际惯例。[15]

背景

量子密钥分发基于量子纠缠的原理,向通信双方发送量子纠缠态的光子。根据物理学理论,无论相距多远,一对纠缠量子只要其中一粒状态产生变化,另外一粒亦会立即出现相应的转变。[20]由于任何外界的测量都会改变量子纠缠的形态,因而一旦密码被窃听,双方都会获知,而放弃此次通信。[21]

但是光纤本身存在损耗,而且会导致纠缠品质下降;而近地面自由空间通信又受到天气、障碍物和地面曲率的影响;因而广域光量子传输转向采用卫星中转的方式。[22]中国在2012年成功实现了世界上最远距离的量子态隐形传输——青海刚察湖两岸长达97公里的自由空间量子信道[23],亦于2013年成功完成国际上首次星地量子密钥分发地基验证试验,克服卫星与地球之间的相对运动偏差及大气层传输耗损[24][25],证实了量子态隐形传输穿越大气层的可行,为基于卫星中继的全球化量子通信网奠定基础。

任务及有效载荷

任务

量子科学实验卫星在亚洲的位置
合肥
合肥
兴隆
兴隆
南山
南山
德令哈
德令哈
丽江
丽江
阿里
阿里
维也纳
维也纳
地面站分布
“量子密钥分发实验”:兴隆与南山/兴隆与维也纳
“量子纠缠分发实验”:南山与德令哈/德令哈与丽江
“量子隐形传态实验”:阿里

量子科学实验卫星在轨运行两年期间将执行四项实验任务以达成两大科学目标:进行经由卫星中继的“星地高速量子密钥分发实验”,并在此基础上进行“广域量子通信网络实验”,以期在空间量子通信实用化方面取得重大突破;及进行“星地双向纠缠分发实验”与“空间尺度量子隐形传态实验”,开展空间尺度量子力学完备性检验的实验研究,四项实验皆为世界上首次开展[22][26][27][28]。卫星同时会透过高速相干激光通信机开展与地面通信接收站之间的实时“星地双向激光通信技术演示试验”,为第二代激光通信设备,速率达5Gbps[29][30][31]

为了执行这些任务,除了卫星和位于安徽合肥的量子科学实验中心之外,地面上也建设了四个量子通信地面站(分别位于河北兴隆新疆乌鲁木齐南山青海德令哈云南丽江),以及位于西藏阿里的量子隐形传态实验站[1][32][17][7]。除此以外,奥地利科学院维也纳大学的科学家也与中国方面合作,在维也纳格拉茨设置了量子通信地面站[33][34][35]

一旦中国国内的实验结束,量子科学实验卫星将尝试在中国与奥地利维也纳量子光学和量子信息研究所英语Institute for Quantum Optics and Quantum Information(IQOQI)之间建立一个国际QKD信道 - 地面距离为7,500 km(4,700 mi) ,可能还有其他欧洲量子通信地面站[36][37]

有效载荷

卫星上搭载的主要有效载荷有5个,分别是量子密钥通信机、量子纠缠发射机、量子纠缠源、量子试验控制与处理系统、高速相干激光通信机[1][38][39][29]

单个光子传送距离逹500公里,为了实现同时瞄准两个地面站进行光通信,卫星平台和有效载荷进行一体化设计,具备两套独立的有效载荷指向机构,通过姿控指向系统协同控制,实现时刻矫正位置、姿态,精确对准地面接收器,精度可以达到普通卫星的10倍,是此前世界上未曾达到的精细度[40][21][1][8]

国家空间科学中心抓总负责量子卫星工程。上海微小卫星工程中心创新研究院是卫星系统的总体单位。上海技术物理研究所牵头负责有效载荷,中国科学技术大学和上海光学精密机械研究所参与研制有效载荷分系统[9]

工作原理

后续

如果这次量子卫星通信实验顺利完成,下一步将计划研究“星间量子通信技术”等,发射更多量子通信卫星,在2020年建成亚洲与欧洲的洲际量子通信网络,在2030年建成20颗卫星规模的全球量子通信网络。[41][21][17]

科研贡献

中国科学技术大学潘建伟教授及其同事彭承志、印娟等组成的研究团队,联合牛津大学Artur Ekert、中科院上海技术物理研究所王建宇等团队,利用“墨子号”量子科学实验卫星在国际上首次实现千公里级基于纠缠的量子密钥分发,堵塞了过去量子卫星作为中继节点时的安全漏洞。该实验通过物理原理,确保了即使在卫星被他方控制的极端情况下依然能实现安全的量子通信,取得了量子通信现实应用的重要突破,如同给千公里级安全量子加密通讯装上“金钟罩”。2020年6月15日,该研究成果以题为“基于纠缠的千公里级安全量子加密(Entanglement-based secure quantum cryptography over 1,120 kilometres)”的研究论文在线发表在国际著名学术期刊《自然》杂志。《自然》杂志审稿人称赞该工作“展示了一项开创性实验的结果”,“这是朝向构建全球化量子密钥分发网络甚至量子互联网的重要一步”,“不依赖可信中继的长距离纠缠量子密钥分发协议实验的实现是一个里程碑”。[42]

相关搭载

长征二号丁运载火箭是次“一箭三星”同时发射墨子号量子卫星、力星一号稀薄大气科学实验卫星及加泰罗尼亚理工大学设计研制的³Cat-2 6U立方体卫星。

  • 力星一号重110公斤,由中科院力学研究所与中科院上海微小卫星工程中心联合研制,分离后降轨至100-150公里近地轨道,开展稀薄大气环境探测等科学实验,是迄今为止运行轨道最低、速度最快的人造地球卫星[43]。8月19日,完成任务再入大气层。
  • ³Cat-2卫星重7公斤,它是³Cat系列的第二颗小卫星,携带了一个全球卫星导航系统反射载荷(GNSS-R)用于地球观测,在量子卫星分离后33秒与运载火箭分离[44]

参考文献

引用

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 世界首颗量子科学实验卫星发射圆满成功. 新华社. 2016-08-16 [2016-08-16]. (原始内容存档于2016-08-16).
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 "QUESS launched from the cosmodrome on Gobi desert"页面存档备份,存于互联网档案馆),Spaceflights.news.[2016年8月17日]. Retrieved 17 August 2016.
  3. ^ Strategic Priority Program on Space Science. National Space Science Center, CAS. [2016-07-30]. (原始内容存档于2016-07-21) (英语).
  4. ^ 4.0 4.1 李瑜. 发射在即!世界第二颗量子卫星定名“墨子号”. 科学网. 中国科学报社. 2016-08-15 [2016-09-13]. (原始内容存档于2016-09-14).
  5. ^ National Institute of Information and Communications Technology. World's first demonstration of space quantum communication using a microsatellite. ScienceDaily. 2017-07-10. (原始内容存档于2019-01-09).
  6. ^ 王莹. 世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”在轨交付-新华网. www.xinhuanet.com. 2017-01-18 [2019-09-24].
  7. ^ 7.0 7.1 量子卫星凝聚“上海智慧”. 中国科学院. 文汇报. [2016-08-17]. (原始内容存档于2017-03-05).
  8. ^ 8.0 8.1 吴晶晶. 我国首颗量子科学实验卫星将于7月择机发射. 新华社. 2016-05-28 [2016-07-30]. (原始内容存档于2016-09-10).
  9. ^ 9.0 9.1 梁晓辉. 中国成功发射全球首颗量子科学实验卫星. 中国新闻网. 2016年8月16日 [2016年8月16日]. (原始内容存档于2016-08-16).
  10. ^ 量子卫星工程星箭出厂审定会在京召开. 中国科学院. 2016-07-01 [2016-07-30]. (原始内容存档于2016-10-04).
  11. ^ Elizabeth Gibney. Chinese satellite is one giant step for the quantum internet. Nature. 2016-07-27 [2016-07-30]. (原始内容存档于2016-07-30) (英语).
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  14. ^ “墨子号”获克利夫兰奖
  15. ^ 15.0 15.1 我国即将发射的全球首颗量子卫星被命名为"墨子号". 新华社. 2016-08-15 [2016-08-17]. (原始内容存档于2016-09-13).
  16. ^ 墨子·经说下》:“景光之人煦若射,下者之入也高,高者之入也下。”
  17. ^ 17.0 17.1 17.2 “墨子”入轨,中国领跑量子太空竞赛. 科技日报. 2016-08-16 [2016-08-17]. (原始内容存档于2016-08-28).
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  19. ^ 取名“墨子”彰显文化自信. 新华社. 2016-08-15 [2016-08-17]. (原始内容存档于2016-09-13).
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  21. ^ 21.0 21.1 21.2 量子卫星:开启人类保密通信新纪元. 科技日报. 2016-08-15 [2016-08-16]. (原始内容存档于2016-08-28).
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  42. ^ “墨子号”首次实现千公里级基于纠缠的量子密钥分发. 大公报. 2020-06-17.
  43. ^ 稀薄大气科学实验卫星发射成功. 中国科学院力学研究所. [2016-08-19]. (原始内容存档于2016-09-19).
  44. ^ 世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”与搭载的立方星³Cat-2成功发射!. 599mag.com. [2016-08-19]. (原始内容存档于2016-09-22).

来源

网页

外部链接

维基新闻标志 维基新闻中与中国成功发射世界上首颗量子通信卫星相关的报导

参见


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