量子衛星：星地精確「握手」才是重頭戲

新華社成都新媒體專電(記者吳曉穎)16日凌晨,由我國自主研製的世界首顆量子科學實驗衛星「墨子號」順利發射升空。在為期兩年的「太空旅程」中,它與地面「四站一平台」的互動,才是此次實驗的重頭戲。

跨越上千公里的「握手」

青海德令哈站是4個量子通信地面站之一。在該地面站有一架1.2米口徑、重10多噸的望遠鏡。

中國科學院光電技術研究所研究員、地面望遠鏡系統技術總指揮黃永梅介紹說,望遠鏡的主要功能是快速捕獲並高精度跟蹤星上信標,發射信標光準確覆蓋量子衛星,通過接收和發射信號光建立並穩定維持通信鏈路。

別小看星地光路對準,它是保證量子通信的前提,也是此次實驗的難點之一。當衛星發射到500公里的軌道後,以每秒7.9公里的速度划過天際,經過每個光學地面站的時間約為五分鐘。這樣的過境,也不是每天都會有的。因不是同步衛星,這顆衛星以橢圓形軌道繞地球飛行。經科學家測算,每個月量子衛星經過每個實驗站的次數不超過20次,這就意味著實驗的次數不超過20次。

在短短几分鐘內,飛速運轉的衛星要和幾千公里外的地面站「握手」,必須以「針尖對麥芒」的精度,實現星地間「嚴絲合縫」對準。

「地面站望遠鏡根據事先得到的過境軌跡,高精度指向衛星,從地面站發射一束直徑不到5毫米的信標光,要準確覆蓋近2000公里遠的量子衛星。」中國科學院光電技術研究所副研究員賀東告訴記者,量子衛星接收到信標光後,會立即反饋一束信標光給地面站,望遠鏡要對這束信標光快速捕獲、跟蹤,光路對接任務就算完成。

小於1/3600度的對準精度

在量子衛星和過境地面試驗站間互相瞄準「鎖定」,建立通信鏈路後,就可以進行既定的各種實驗了。根據計劃,「墨子號」在兩年的設計壽命期間,將與「四站一平台」一起,在星地之間進行量子密鑰分發、量子糾纏分發、量子隱形傳態等實驗。這樣的嘗試,在全世界都是首次。

此前,國內外對量子理論和其預示的各種奇異現象的檢驗實驗,主要停留在實驗室或地面範圍。而我國將對這些現象在上千公里的空間大範圍進行驗證。德令哈站就承擔著量子糾纏分發的實驗任務。衛星製造出一對糾纏光子,將其分別發送到雲南麗江站和德令哈站。根據原理,只要測量其中一個光子,另一個的狀態就已知了。實驗人員將分別對這兩個光子進行測量,從而驗證愛因斯坦所說的那種「幽靈般的超距作用」是否存在。

這些實驗,均是以單光子級的形式進行。望遠鏡如何及時、準確捕獲、探測光子?賀東介紹說,望遠鏡顯示操控台上顯示的錶盤一周是360度,實現的對準精度是360度當中的1度。再把1度細分成3600份,以小於3600分之一度的對準精度高速轉動,對準通訊衛星。

由於量子實驗很複雜,對實驗設備要求之高異乎尋常。科研人員對追蹤量子衛星的「重量級武器」——望遠鏡進行一系列創新設計,攻克了許多技術難題。通過實驗,最終實現望遠鏡光學加工裝配的鏡面面形誤差在60個納米以內,軸系晃動誤差在1個角秒以內,高帶寬的複合軸伺服控制系統,保證望遠鏡的跟瞄精度小於3600分之一度,對500公里外的衛星光軸對準偏差不超過1米。這種寬光譜、高效率、高保偏、高精度的望遠鏡光學系統,及伺服控制系統和操控系統,在國際上都屬首次研製完成。

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