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量子科学实验卫星

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量子科学实验卫星“墨子”
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 量子科学實驗
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 ID 2016-051A
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] ,是中国的一颗人造地球卫星,质量為631公斤,設計壽命两年。[6]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[7]。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[8][9],成为全球首颗设计用于进行量子科学实验的卫星[10][11],实现世界上首次卫星和地面之间的量子通信,並且首次验证一对纠缠光子被分发到相距成千、甚至上万公里的距離下仍可以保持纠缠的理论预言[12][13]。此前日本的微型通信卫星“苏格拉底”,并没有实现真正意义上的量子通信[14]

2017年6月16日,墨子號首先成功實現,兩個量子纠缠光子被分发到相距超過1200公里的距離後,仍可繼續保持其量子糾纏的狀態。[15]

命名[编辑]

量子卫星命名為“墨子號”,是為了紀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學尤其是光學領域的突出成就,在他所著的《墨经》中歸納出「光学八条」。[16]其中包括兩千多年前,墨子進行了世界上最早的小孔成像实验,最先发现了沿直线传播這一光学领域最重要的科学原理[17],奠定了光通信、量子通信等理论的基础。而且他也提出了“粒子论”的雛形,关于“端”的论述,指出“端”是不占有空间的,是物体不可再細分的最小单元。[4][18][19][20]

以科学先贤為科学卫星命名以彰显研发国家的文化和科學成就,亦是國際慣例。[16]

背景[编辑]

在量子卫星升空之前,中国已经在合肥实现了经由光纤传输的城域量子密钥分发。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。根據物理學理論,無論相距多遠,一对纠缠量子只要其中一粒狀態產生變化,另外一粒亦會立即出現相应的轉變。[21]由于任何外界的测量都会改變量子纠缠的形態,因而一旦密码被窃听,双方都会获知,而放弃此次通信。[12]

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——青海刚察湖兩岸长达97公里的自由空间量子信道[23],亦於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[编辑]

任务[编辑]

量子科学实验卫星在亞洲的位置
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
地面站分佈
「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軌運行兩年期間将执行四项实验任务以達成兩大科学目标: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,四项实验皆為世界上首次开展[22][26][27][28]卫星同時會透過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」,為第二代激光通信设备,速率逹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][18][6]除此以外,奥地利科学院英语Austrian Academy of Sciences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[编辑]

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]

单个光子传送距離逹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][12][1][7]

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[8]

後續[编辑]

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][12][18]

相關搭載[编辑]

长征二号丁运载火箭是次「一箭三星」同時发射墨子号量子卫星、力星一号稀薄大气科学实验卫星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,分離後降軌至100-150公里近地軌道,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[42]。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[43]

参见[编辑]

参考文献[编辑]

引用[编辑]

  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]. 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 "QUESS launched from the cosmodrome on Gobi desert",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] (英语). 
  4. ^ 4.0 4.1 李瑜. 发射在即!世界首颗量子卫星定名“墨子号”. 科学网. 中国科学报社. 2016-08-15 [2016-09-13]. 
  5. ^ National Institute of Information and Communications Technology. World's first demonstration of space quantum communication using a microsatellite. ScienceDaily. 2017-07-10. 
  6. ^ 6.0 6.1 量子卫星凝聚“上海智慧”. 中国科学院. 文汇报. [2016-08-17]. 
  7. ^ 7.0 7.1 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]. 
  8. ^ 8.0 8.1 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]. 
  9. ^ 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]. 
  10. ^ Elizabeth Gibney. Chinese satellite is one giant step for the quantum internet. Nature. 2016-07-27 [2016-07-30] (英语). 
  11. ^ 李瑜 赵金龙. 世界首颗量子卫星“墨子号”发射圆满成功. 科学网. 中国科学报社. 2016-08-16 [2016-09-13]. 
  12. ^ 12.0 12.1 12.2 12.3 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]. 
  13. ^ 揭秘全球首颗量子卫星:无条件安全通信成可能. 人民日报. 2016-08-16 [2016-08-16]. 
  14. ^ 日本发射量子卫星?媒体不懂技术误传. 2017-07-13 [2017-09-13] (zh-Hans-CN). 
  15. ^ Castelvecchi, Davide. China's quantum satellite clears major hurdle on way to ultrasecure communications. Nature News. Nature. 2017-06-15. 
  16. ^ 16.0 16.1 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]. 
  17. ^ 墨子·经说下》:“景光之人煦若射,下者之入也高,高者之入也下。”
  18. ^ 18.0 18.1 18.2 “墨子”入轨,中国领跑量子太空竞赛. 科技日报. 2016-08-16 [2016-08-17]. 
  19. ^ 全球首颗量子卫星命名为“墨子号”. 新华社. 2016-08-15 [2016-08-17]. 
  20. ^ 取名“墨子”彰显文化自信. 新华社. 2016-08-15 [2016-08-17]. 
  21. ^ 中國發射首枚量子衛星墨子號. 2016-08-16 [2016-08-17]. 
  22. ^ 22.0 22.1 中国量子通信研究新进展:量子卫星携四大任务即将发射. 2016-06-28 [2016-07-30]. 
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  25. ^ 我成功验证星地之间安全量子信道可行性 为实现全球化量子网络奠定了技术基础. 科技日报. 2013-05-03 [2016-08-17]. 
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  27. ^ 量子“京沪干线” 梦想瞬间移动. 解放日报. 2015-12-28 [2016-08-16]. 
  28. ^ “墨子”升空 世界首颗量子实验卫星发射. 2016-08-17 [2016-08-17]. 
  29. ^ 29.0 29.1 揭开世界首颗量子科学实验卫星—— “墨子号”的神秘面纱. 2016-08-16 [2016-08-17]. 
  30. ^ 我国首次空间高速相干激光通信试验将在量子卫星上开展. 新华社. 2016-08-16 [2016-08-19]. 
  31. ^ 领跑者“墨子号”———团队融合助中国在量子科学领域占得先机. 文匯报. 2016-08-46 [2016-08-19]. 
  32. ^ 中国首个量子卫星探秘. 新华社. 2016-05-28 [2016-07-30]. 
  33. ^ SPACE QUANTUM COMMUNICATION – COOPERATION WITH CHINA. Institute for Quantum Optics and Quantum Information - Vienna, Austrian Academy of Sciences. [2016-07-30] (英语). 
  34. ^ 赵彬大使会见出席维也纳空间量子通信地面站测试开通仪式的中奥嘉宾. 中华人民共和国驻奥地利共和国大使馆. 2013-05-06 [2016-07-30]. 
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  37. ^ First Quantum Satellite Successfully Launched. Austrian Academy of Sciences. 16 August 2016 [17 August 2016]. 
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  40. ^ 探秘世界首颗量子科学实验卫星:卫星即将出厂. 中国中央电视台. 2016-05-28 [2016-07-30]. 
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  42. ^ 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]. 
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来源[编辑]

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