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  • 墨子号

    墨子号是中国研发,全球首颗量子科学实验卫星,以中国古代伟大科学家墨子的名字命名。2016年8月16日1时40分,中国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空。量墨子最早提出光线沿直线传播,设计了小孔成像实验,奠定了光通信、量子通信的基础,以中国古代伟大科学家墨子的名字命名量子卫星。2017年1月18日,中国发射的世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”圆满完成了4个月的在轨测试任务,正式交付用户单位使用。中国科学技术大学、中科院微小卫星创新研究院、西安卫星测控中心、中科院国家空间科学中心等单位相关领导在交付使用证书上签字。

    编辑摘要

    基本信息 编辑信息模块

    中文名: 墨子号 外文名: 墨子号量子科学实验卫星
    所属组织: 中科院 环绕对象: 地球
    发射时间: 2016年8月16日1时40分 发射方式: 火箭发射
    发射地点: 酒泉卫星发射中心 重要意义: 我国在世界上首次实现量子通信
    分类: 全球首颗量子科学实验卫星
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    研发背景/墨子号 编辑

    墨子号量子科学实验卫星墨子号量子科学实验卫星

    量子保密通信技术已经从实验室演示走向产业化。在城市里,通过光纤建构的城域量子网络通信已经开始尝试实际应用,我国在城域光纤量子通信方面已取得了国际领先的地位。

    在量子通信的国际赛跑中,中国属于后来者。经过多年的努力,中国已经跻身于国际一流的量子信息研究行列,在城域量子通信技术方面也走在了世界前列,建设完成合肥、济南等规模化量子通信城域网,“京沪干线”大尺度光纤量子通信骨干网也即将竣工。

    然而,这只是开始。“在城市范围内,通过光纤构建城域量子通信网络是最佳方案。但要实现远距离甚至全球量子通信,仅依靠光纤量子通信技术是远远不够的。”潘建伟说。

    量子保密通信,能够从三个方面保障信息安全。第一,发送者和接收者之间的信息交互是安全的,不会被窃听或盗取。第二,“主仆”身份能够自动确认,只有主人才能够使唤“仆人”,而其他人无法指挥“仆人”。第三,一旦发送者和接收者之间的传递口令被恶意篡改,使用者会立刻知晓,从而重新发送和接收指令。

    原来,用量子通信方式传递信息,传送的是光的最小能量单元。但这种最小的颗粒,不能再被分割,也不能复制。即使采用目前最先进的理想单光子探测器,在1000公里光纤中进行点对点量子通信,每300年也只能传输一个比特。“就好比一支拥有100万人的队伍,到最后可能只剩下几个人,花了很长时间才能抵达目的地。”这种受制于光纤,不能放大量子通信信号的问题,导致了在远距离上信息传递效率很低,令科学家们一筹莫展。虽然通过量子中继手段,即分成若干段传输来降低每一段的损耗,用“量子接力”的方式解决这一难题,但走向实际应用还需时日。

    后来,科学家意识到,真空里不会有光的损耗,想要实现覆盖全球的广域量子保密通信,还需要借助卫星的中转。

    2005年,潘建伟团队实现了13公里自由空间量子纠缠和密钥分发实验,证明光子穿透大气层后,其量子态能够有效保持,从而验证了星地量子通信的可行性。近几年开展的一系列后续实验都为发射量子卫星奠定了技术基础。

    “这样一来,通过发射卫星,去除干扰因素,就可以实现几千公里的量子通信。”潘建伟说,有了量子卫星,还可以在宏观距离上检验所谓的量子力学的非局域性,也就是“幽灵般的超距作用”。“看看在实验室里不断被重复检验的理论,放在太空是否还能实现。”

    研制历史/墨子号 编辑

    量子卫星2011年12月立项,是中科院空间科学先导专项首批科学实验卫星之一。工程还建设了包括南山、德令哈、兴隆、丽江4个量子通信地面站和阿里量子隐形传态实验站在内的地面科学应用系统,与量子卫星共同构成天地一体化量子科学实验系统。

    量子卫星首席科学家潘建伟院士介绍,我国自主研发的量子卫星突破了一系列关键技术,包括高精度跟瞄、星地偏振态保持与基矢校正、星载量子纠缠源等。

    2016年8月16日凌晨,被命名为“墨子号”的中国首颗量子科学实验卫星开启星际之旅。它承载着率先探索星地量子通信可能性的使命,并将首次在空间尺度验证量子理论的真实性。

    量子通信系统的问世,点燃了建造“绝对安全”通信系统的希望。当前,量子通信的实用化和产业化已经成为各个大国争相追逐的目标。

    在量子通信的国际赛跑中,中国属于后来者。经过多年的努力,中国已经跻身于国际一流的量子信息研究行列,在城域量子通信技术方面也走在了世界前列,建设完成合肥、济南等规模化量子通信城域网,“京沪干线”大尺度光纤量子通信骨干网也即将竣工。

    然而,这只是开始。“在城市范围内,通过光纤构建城域量子通信网络是最佳方案。但要实现远距离甚至全球量子通信,仅依靠光纤量子通信技术是远远不够的。”潘建伟说。

    他解释说,因为量子的信息携带者光子在光纤里传播一百公里之后大约只有1‰的信号可以到达最后的接收站,所以光纤量子通信达到百公里量级就很难再突破。但光子穿透整个大气层后却可以保留80%左右,再利用卫星的中转,就可以实现地面上相距数千公里甚至覆盖全球的广域量子保密通信。

    另外,诞生百年的量子理论的奇妙之处在实验室里被不断重复检验,但却从未在太空尺度验证过。量子理论的各种奇异现象在太空中是否还存在?量子纠缠和隐形传输是否可以延伸到星地之间?这些都需要卫星去验证。

    2011年,中科院正式启动全球首颗“量子科学实验卫星”的研制,这既意味着中国科学家率先向星地量子通信发起挑战,更意味着中国或将领先欧美获得量子通信覆盖全球的能力。

    大事记/墨子号 编辑

    酒泉卫星发射中心工作人员装配“墨子号”量子卫星酒泉卫星发射中心工作人员装配“墨子号”量子卫星
    2009年12月,空间科学先导专项参加战略性先导科技专项实施方案评议会,并在16个建议专项中名列前三名。

    2011年12月23日,量子科学实验卫星工程启动暨动员会在京召开,标志着量子科学实验卫星正式进入工程研制阶段。

    2014年12月30日,量子科学实验卫星通过初样转正样阶段评审,正式转入正样研制阶段。

    2015年12月6日,量子科学实验卫星系统与科学应用系统完成星地光学对接试验,验证了天地一体化实验系统能够满足科学目标的指标要求。

    2016年2月25日,量子科学实验卫星工程完成大系统联试。

    2016年8月16日凌晨1时40分,我国在酒泉卫星发射中心长征二号丁运载火箭成功将世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空。

    2017年1月18日,中国发射的世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”圆满完成了4个月的在轨测试任务,正式交付用户单位使用。中国科学技术大学、中科院微小卫星创新研究院、西安卫星测控中心、中科院国家空间科学中心等单位相关领导在交付使用证书上签字。[1]

    命名缘由/墨子号 编辑

    首颗量子通信卫星以我国古代科学家墨子的名字来命名。墨子最早提出过光线沿直线传播的观点,进行了小孔成像实验。用他的名字命名以纪念他在早期物理光学方面的成就。

    发射时间/墨子号 编辑

    2016年8月16日1时40分,我国在酒泉发射中心用长征二号丁运载火箭成功将世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空。

    量子卫星发射入轨后将进行3个月左右的在轨测试,然后转入在轨运行阶段。

    科学目标/墨子号 编辑

    量子卫星是中国科学院空间科学先导专项首批科学实验卫星之一,其主要科学目标一是借助卫星平台,进行星地高速量子密钥分发实验,并在此基础上进行广域量子密钥网络实验,以期在空间量子通信实用化方面取得重大突破;二是在空间尺度进行量子纠缠分发和量子隐形传态实验,开展空间尺度量子力学完备性检验的实验研究。

    墨子号在未来两年将在世界上首次开展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。除了卫星之外,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、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。除此以外,奥地利科学院和维也纳大学的科学家也与中国方面合作,在维也纳和格拉茨设置了地面站[6-7]  。

    研发单位/墨子号 编辑

    量子卫星工程由中科院国家空间科学中心总负责;中国科学技术大学负责科学目标的提出和科学应用系统的研制;中科院上海微小卫星创新研究院抓总研制卫星系统,中科院上海技术物理研究所联合中科大研制有效载荷分系统;中科院国家空间科学中心牵头负责地面支撑系统研制、建设和运行;对地观测与数字地球科学中心等单位参加。

    重要意义/墨子号 编辑

    “墨子号”的成功发射,将使我国在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信,构建天地一体化的量子保密通信与科学实验体系。

    量子卫星的成功发射和在轨运行,将有助于我国在量子通信技术实用化整体水平上保持和扩大国际领先地位,实现国家信息安全和信息技术水平跨越式提升,有望推动我国科学家在量子科学前沿领域取得重大突破,对于推动我国空间科学卫星系列可持续发展具有重大意义。

    美国波士顿大学的量子物理学家亚历山大·谢尔吉延科说:“这个事确实很让人激动,因为它是首次开展此类试验,因此对全球都有重要意义。量子通信的竞赛自1995年欧洲科研人员在日内瓦湖底进行量子密钥分发的最初演示时就开始了。在那以后,英国、美国、日本和中国等国家都在探索城市间的量子通信网络,而现在这场竞赛从地面进入了太空,因为卫星能连接相距遥远的不同都市。中国在发射量子卫星方面走在了前面。”[2]

    英国剑桥大学量子物理学教授阿德里安·肯特说:“我对中国发射量子卫星这事感到很兴奋。”他认为,这是为使用量子技术构建全球性安全通信网络迈出的“第一步”[3]

    2017年6月15日,中国科学家在美国《科学》杂志上报告说,中国“墨子号”量子卫星在世界上首次实现千公里量级的量子纠缠,这意味着量子通信向实用迈出一大步。[4]

    未来应用/墨子号 编辑

    量子卫星发射后,天地一体化量子科学实验系统将投入正式运行,而“京沪干线”大尺度光纤量子通信骨干网工程预计2016年下半年交付。

    得益于量子保密通信绝对安全性,量子通信不仅应用于百姓日常通信,也可用于水、电、煤气等能源供给和民生网络基础设施的通信保障,还可应用于国防、金融、商业等领域,势必对产业界和科技界产生巨大变革。[2]

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    参考资料
    [1]^引用日期:2017-01-19
    [2]^引用日期:2016-08-30
    [3]^引用日期:2016-08-16
    [4]^引用日期:2017-06-16

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