“墨子号”——长路漫漫崇拜偶像路

墨子号是全球第一架量子科学实验通信卫星，是十二五期间项目立项的四颗插装试通信卫星中的一个。它在2011年由中国研究院带领产品研发，于2016年8月16号在酒泉卫星发射中心推送，并自此进入了人民群众的视野。算一下产品研发周期，墨子号的产品研发一共大概开销了五年的時间。

通讯卫星以后，最开始进行了四个月的在轨检验，2017年的1月18号公布交货，供科学家进行科学实验。墨子号设定的应用限期是2年，因此大伙儿务必在2年内开展全部订购的科学实验。但实际上，在通讯卫星之后一周年的2017年的8月，就早就完成了所有的实验。过后的这三年，大伙儿一直都在开展相对性的拓展实验。

从通讯卫星至今又过去四年，再再加上通信卫星产品研发的五年，就有点相近上海小朋友的九年教育信息化管理体系：五年的中小学校、四年的中学。很自然的，有九年教育信息化，也便会有学龄儿童的六到七年的時间。

2012年底，《自然》期刊杂志以“室内空间设计量子科技赛事”难题，详解了在中国和欧洲卓越团队在自由空间量子通信方面的市场需求。却不知道，最初在2005年，大伙儿就早就在合肥开展了第一个13公里的纠缠不休发放的实验。也就是说从2005年到2011年，再到2020年，它相当于经历了学前儿童、中小学校和初中，目前早就发展趋势为一名高中生。在所有那般一个成长过程中，它到底打开了哪些那般的专业性，以及它又得到 了哪些很有显著性差异的成果？我眼里的自身今日要跟大家详解的内容。

最开始我还是要介绍一下量子科技基本前提。量子科技是构成化合物的最基本控制模块，它是机械能的最基本的携带者。日常日常日常生活的光源，比如灯、自然光等，你看到的是一个整体的饱和度，倘若把那般的机械能客户细分，分到最后无法再分割的状况下，就是一个光量子。不能缺乏的那般一个光量子，就是一个量子科技；一样，分子结构、分子式也是量子科技的一种表达方式。只需熟记一点，量子科技是不能缺乏的。此外，若用某一量子科技来做量子通信的一些实验时，从理论上就不大可能再找寻一个跟它一模一样的量子科技，要我能悄悄的在旁边去观查它或者是干一切其他事情，因而它是唯一的。

量子科技还有一个特性：有关累积性。经典比特犬可以是在0或是1中的某一个状况，而量子比特可以处在|0> |1>的混合态，可以以不一样的占有率混和。倘若你来对它进行一切的精准测量的状况下，其状况便会塌缩，因而它是唯一的。打一个简单的例如：一个很快旋转的古钱币，在被拍下来之前，你始终不清楚他处于脸照还是反面；倘若去拍它，它会按照一定的概率塌缩，但那一个塌缩后的状况并并不是其原始的很快旋转的状况。因而对量子科技的一次精准测量不能够得到 其全部信息，因而也不能再度构造，也也不能被复制。

对于单颗粒物的体系管理，结合前面所述的量子科技的不能缺乏性、测不准特性、以及不可以拷贝性，就造成了在量子科技密匙发放里安全性能的基础。而对于双颗粒物的体系管理的有关累积性，会造成一个更有趣的特点——量子纠缠。

我是“墨子号”量子科学实验通信卫星最新项目中，担负生产加工天上量子纠缠源的责任人设计师，因为后面的详解会牵涉到量子纠缠，因而在这儿先介绍一下处于量子纠缠态的两个量子科技会有什么特点。大家对“薛定谔的猫”有一定的界定，这一猫很有可能会处于活的状况，或者是死的状况，或者是要死不活的状况。但是对于其他的量子科技，很有可能会发生很各种各样能够塌缩的状况，比如六面的摇色子。当两个摇色子处于纠缠不休状况的状况下，倘若对在这其中一个进行精准测量，假若说它处在3的状况，那么不管除此之外一个摇色子间距多远，就算是跑到月球表面上去，它也会此外立刻的塌缩到3的状况。这类情况就是量子纠缠，在那时被哥白尼称作悠长详细地址正中间的古怪互动交流沟通交流。

量子纠缠那般一种无论分隔多远全是有关系的情况，可以作为量子通信和量子隐形传态。此外可以用以检验物理的基本的界定，此外也是能升級量子科技多媒体通信当中的重要资源。

量子通信是量子信息领域最接近实用化的一个方向。而大伙说到通信，就希望地球上不论是哪些地方的人，全是有很有可能建立那般一个通信。因而向更远距离的拓展，一直是量子通信的很重要的研究方向。

在核心技术上，一开始有两条道路：光纤量子科技无线信道和自由空间量子科技无线信道。光纤无线信道是一个很健全的一个界定，现如今的家用互联网光纤线，都早就可以入户籍了。而且光纤专业性也很健全，比如其损耗，每公里仅有0.2dB。倘若路程运用的话，比如十公里、20公里，它很有可能一直透射系数一半的机械能，这是一个很好的方式。但是它的损耗随着着间隔指数透射系数，在20公里的透射系数很有可能并不大，但是倘若长度保证1000公里时，0.2dB乘以1000公里就是200dB。200dB是啥界定？倘若一个光量子经历传输，最后剩下的概率是10-20，那么对于现如今的光源系统，我需要花1000年才能够传一个光量子过去，因而光纤量子科技无线信道就没有办法运用。它是光量子的原来损耗造成的难点。除此之外，光纤还会继续再次跟地理环境有一些耦合，它促进量子态，包括前面谈及的量子纠缠，会发生退相干的效应，因而它就无法向更长久的间隔发展趋向。而光纤无线信道要做得较长，便会存在那般的难点。但是也是有很多的同业竞争在做这种层面的事情，因为终归在一些场地，比如无线局域网，用起来還是很方便快捷的。

因而科研的方向就选择了自由空间的量子通信，因为近地面的大气圈闭合电路厚薄大概在八公里左右，外星球的外面都是绝大多数是没有损耗的，而且自由空间大部分没有退相干效应。因而从我进到这一领域慢慢，所从事的方向就是依据室内空间设计综合服务平台的自由空间量子通信。

大伙儿卓越团队的实验室是在2001年动工基本建设的，那时每一个电子器件的搭建，尤其是激光器激光光路的稳定，都磕磕绊绊的，每一天都务必维修保养。这个时候不大可能马上在通信卫星上做测试，因而就务必把这个依据室内空间设计综合服务平台的“疯狂”设想，分成好几步走。

2003年，明确指出自由空间量子通信的构想；

2004年，进行13公里自由空间量子纠缠和密匙发放[PRL 94， 150501 （2005）] 

2009年，进行16公里自由空间量子隐形传态 [Nature Photonics 4， 376 （2010）]

最开始第一步，由于光量子不能增大、不能拷贝，而且传输损耗十分大，因而务必让其先在气体中国传媒学院一段，叫我看到它的存在。在一开始，大伙儿做了一个13公里，一个16公里的实验，都是去验证、检验那般一个量子态，在翻过闭合电路气体十公里之后，它的量子态是否依然能够保持有效。

第一步的实验只是保证了在空气中远距离传输的损耗是能够接受的范围，但那般的一个状况，还是没有办法保证上通信卫星。而与通信卫星正中间的传输，除了要充分考虑更修容粉的损耗之外，还务必充分考虑推送的光张角的变化。此外，还务必保证光源对通信卫星的跟瞄，这对实验的稳定性明确指出了很高的要求。

2011年，进行100公里级自由空间量子隐形传态以及双向量子纠缠发放[Nature 488， 185 （2012）]验证在高损耗星地连接中进行量子通信的可行性方案 

2012年，进行星地量子通信的全方位路基工程验证[Nature Photonics 7， 387 （2013）]验证各式各样通信卫星运动健身姿态下进行星地量子通信的可行性方案

因而第二步，大伙儿选择在青海湖模拟仿真星地真实连接，因为其做到模拟仿真星地真实连接对实验详细地址的要求，即100公里看见探及。在这儿，大伙儿模拟仿真了通信卫星运动健身的许多方法，比如先让旋转工作架在房间内定点转动，激光器产生器在远处跟瞄；接着让旋转工作架在车子、起重设备上转动。或者让气球把建筑吊篮吊上去，再将气球起降，做垂直方面的跟瞄。又或是是在飞机上，做对机场的跟瞄，以模拟飞行速度快速的情况。

高精密的机械能分辩率：可以从地球上检验到在月球上点燃的一根火柴

依据这一系列来模拟仿真通信卫星姿态的怪招，一些关键技术被打开，比如精密加工的捕获跟瞄专业性，这意味着着我们在通信卫星过顶的状况下，可以自动式捕获上，以及高精密的机械能鉴别检验专业性，也是有更重要的光源专业性。从最初的实验，到这一步实验结束，光源饱和度早就提升 了100倍，为过后通信卫星的项目立项马上建立了十分牢固的基础。

上述的实验是在2011年左右结束。前面的一系列实验成果在11月份墨子号的项目立项论证过程是在具备了至关重要的作用。在项目立项阐述时，所说的科研的基本目标是进行通信卫星和地面的量子科技密匙发放，拓展每日每日任务是进行室内空间设计程度的物理非定域性检验，以及地面和通信卫星的量子隐形传态。但在所有产品研发的整个过程中，科研卓越团队把这三大任务并列作为了是大伙儿尽量要做的事情。因为在光源、连接和检验方面都确保了极致，因而所有的科研目标能够在2017年内开展。

举一个简单的例证，因为这是一个科研通信卫星，因而可以为了更好地能够更好地科研目标去做必不可少的调整。这通讯卫星最初事实上方案设计在600公里的导轨运行，而实际运行在500公里导轨。这一降轨在通信卫星的体系管理里面，属于一个十分重大的调整。而调整的原因是什么呢？原因在于拓展目标。拓展目标是地到天的整个过程，就是源在路面上，探测器在天上。但在产品研发的整个过程中就发现了，探测器即便不运行，在天上遭到质子的辐射强度之后，会发生偏位效应，它的噪声会快速的提升 。通信卫星上去一般全是有三到四个月的在轨检验，依据计算以后发现，探测器上去三到四个月以后，它的暗计数就提升 到不能够做测试了。因而大伙儿就做了几方面的改进，一方面是依据一系列的电力电子技术技术性上的降温、防电磁波辐射等方法；除此之外一个就是把导轨从600公里降至500公里，因为在500公里下述，探测器遭到地磁场方向的维护保养，辐射强度会发生大幅的减少。

在这儿三个重要任务完成之后，科研卓越团队这三年又开展了一系列的拓展实验。

墨子号是一个太阳同步轨道通信卫星，因而它每天晚上在当地时的12点全是会划过当地上空。比如家中北京市，今夜中国中国北京时间的12点，它会过一次境；倘若你一直在乌鲁木齐，它会在中国中国北京时间晚上的2点多过乌鲁木齐，因为乌鲁木齐的当地时是12点；到中国中国北京时间第二天早上的7点，又到欧洲晚上的深更半夜的12点了，它又划过法国巴黎。那般一个出航之后，通信卫星可以跟地面上随便一个点做量子通信，通信完以后，通信卫星跟所有的人全是有密匙，卫星的作用相当于一个无线路由桥接点。

但是要用密匙的人全是在地面，那么应该怎么办？假若法国巴黎想跟乌鲁木齐正中间建立密匙，而天上的通信卫星掌握这两个密匙，只需做一个与或的或运算，并把结果发给乌鲁木齐，乌鲁木齐用它的密匙把密码翻译一下，就跟法国巴黎一一对应了。因而这一整个过程中，通信卫星作为一个靠谱的无线路由桥接，为什么是靠谱？通信卫星掌握所有的事情，倘若你从通信卫星上获得信息，通信卫星就能清楚地掌握法国巴黎和乌鲁木齐正中间拿走的是什么信息，而通信卫星可以把这个信息编码解码。

除了靠谱无线路由桥接方案外，也是有除此之外一种通信方案能够仅让通信的彼此之间掌握彼此之间的信息，而仅把通信卫星作为一个导致纠缠不休和发放纠缠不休的一方。由于处于纠缠态的两个光量子，无论分到哪里，就算分到地面站，仍然会处于纠缠不休状况。那么这两个人只需检测到它的纠缠不休，就可以拿它来转换成密匙，而且是一对一的密匙。采用这一方式以后，因为通信卫星它没有对纠缠不休进行一切的操作过程，没有获得 一切的信息，因而密匙只在路面上的彼此来导致。就算通信卫星并并不是本身造的，仅仅其他国家造的，甚至便是你本身造却被别人控制了，也没有关系，因为密匙只取决于你自己对纠缠不休的检测。

尽管第二个方案安全系数更强，但现如今它的视频码率极低，量级在0.1bit/s。而第一个方案的视频码率在1kbit/s。因为通信卫星是我们自己造的，因而通信卫星是完全可以确信的，而且用它来做一些商业服务的用户名和密码。而第二个方案的密匙量十分的少，倘若要积累充裕的密匙来用，务必十分多的资源，因而它可以用在一些高級、对安全级别要求高些的，对密匙量规定并不算太大的场地。从应用上来二种方案有各的优势。

大伙儿未来的目标是要进行经济发展全球化的量子通信，这就必须依据“量子科技十二星座”来开展。最开始就必须应用“墨子号”上早就健全的专业性，把它确保小型化，并运用多通讯卫星组网方案。倘若通信卫星的质量保证50公斤左右，其产品研发、推送成本费用会发生很明显的降低。依据三到五颗的那般的通信卫星组网方案就可以遮住所有地球上。路面上的某一个站可以持续一个星期升级密匙，在基础的商业应用方面会具备很好的作用了。

除了一颗低轨的通信卫星，专家学者们还务必把目光投在高些的中高轨通信卫星，甚至是同步轨道。但是到同步轨道，通信卫星仅有0.6%的机会是在地影区，其他都是被自然光照亮的。因而还要解决的一个难点就是地面站不能在白天开展实验这一限制。此外，除了天上的通信卫星组网方案，还务必将现阶段的地面站小型化。

总的来讲，大伙儿的目标是要建立一个详尽的八荒一体化的多源量子科技安全性通信七层协议，并且跟经典通信网络进行拼接的联接，一同结合，进行安全系数的安全性通信。

注：原文中内容根据印娟权威专家于墨子沙龙会现场演讲编译程序整理而成

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