全球首顆量子通信衛星完成任務：「墨子號」的昨天和明天

8月10日，科學技術大學潘建偉團隊宣布，全球首顆量子科學實驗衛星「墨子號」圓滿完成了三大科學實驗任務：量子糾纏分發、量子密鑰分發、量子隱形傳態。

1200公里的超遠距離量子糾纏分發成果，1個月前曾登上頂級學術期刊《科學》的封面。這次，星地間的遠距離量子密鑰分發、量子隱形傳態，又同時發表在另一頂級學術期刊《自然》上。

今天，已在距離地球500公里的軌道上服役將近1年的「墨子號」收穫了全世界的目光。它「昨天」的印記留在合肥的大蜀山、北京的八達嶺、百餘公里的青海湖，還有海拔5100米的西藏阿里。而對於「明天」的全球量子通信星座網路來說，「墨子號」僅僅是個探路者。

2016年11月9日，在河北興隆觀測站，「墨子號」量子科學實驗衛星過境，科研人員在做實驗（合成照片）。新華社資料圖

這次量子密鑰分發論文的第一作者、中科大副研究員廖勝凱向澎湃新聞（www.thepaper.cn）感慨起往事：「我大學部也學過量子力學，但說實話，很多地方不怎麼能理解，學完后我就想，這個方向不太擅長，我以後就做個電子學工程師，估計不需要用到這些沒太學懂的量子力學知識了。」

驀然回首，立志做電子學工程師的廖勝凱，進入他「沒學懂」的量子力學領域，已經快十年了。

量子隱形傳態論文的第一作者、中科大副研究員任繼剛，則更期待在基礎研究方面的突破。他開玩笑道，美劇《生活大爆炸》里的理論物理學家謝爾頓「看不起」實驗物理學家萊納德，萊納德又「看不起」工程師霍華德。完成「墨子號」的計劃實驗之後，任繼剛希望用這樣一個星地平台，測試更多激動人心的點子。

「這個東西不可能」

早在2003年左右，潘建偉就意識到，要構建一個實用化的全球量子保密通信網路，衛星是目前最可行的一個方案。這是因為，光子在地面光纖上的損耗率太大，而在星地之間，光子「走」的絕大部分路程接近真空。

要把單光子從天下發下來，或者發到天上去。很多人都覺得這個太難了。廖勝凱在加入團隊后，面對了無數的挑戰，他把這個過程稱為「打怪獸」：「來一個小怪獸就打小怪獸，來一個大怪獸就打大怪獸。」此時，廖勝凱深刻體會到了潘建偉在項目初期面臨的壓力。

面對質疑，最好的回應就是實驗結果。2005年，潘建偉、彭承志等人就在合肥大蜀山實現了13公里的量子糾纏分發。這個傳輸距離超過了大氣層的等效厚度，證實了遠距離自由空間量子通信的可行性。

2011年，潘建偉團隊又在青海湖實現了首個超過100公里的量子糾纏分發實驗。任繼剛回憶道，研究團隊翻遍地圖，發現在最大湖泊的中心恰有一個小島。青海湖北岸到青海湖南岸，恰好是一百餘公里的長度，湖面上也沒有任何遮擋。

在青海湖，潘建偉團隊完成了全方位的衛星技術論證，包括氣浮平台、模擬星地相對運動、百公里級量子密鑰分發實驗等。至此，衛星的基本問題已經解決，還需攻克一些工程化穩定性。

2011年底，他們迎來了一個關鍵的節點——中科院空間科學先導專項將「量子科學實驗衛星」正式立項。

主要負責衛星載荷電子學的廖勝凱，描述了他們打過的其中一個「小怪獸」：「如果說光子損耗率是30dB的話，就是一千倍的損耗，天上發出1萬個光子，地面上只能收到10個。但是，我們需要搞清楚地面這十個光子是天上發射的哪十個光子。這就要解決所謂時間上的同步問題。我們的發射頻率是一百兆，也就是光子之間的時間間隔是10納秒（1納秒=1/1000000000秒）。這10納秒內，真正發射光子的時間又不到1納秒。也就是說，我們可以做到天地間納秒級的時間同步，從而確定地面收到的光子與天上發射光子的對應關係，同時去除雜訊。」

「在論證的時候，其實別人都說這個東西不可能。從某種意義上來說，我們就是把很多不可能的東西，一步一步變成了可能的東西。」廖勝凱總結道。

「如臨深淵，如履薄冰」

一位航天界的前輩曾告訴廖勝凱，「航天是越做越保守，如臨深淵，如履薄冰。」

一開始做衛星的原理樣機時，廖勝凱還沒有完全體會到這句話的含義。但越到後來，他越感同身受。

衛星遠在天外500公里，無法維修，能否圓滿完成科學目標，都取決於地面上的設計與驗證。為此，團隊不得不在兼顧可靠性和穩定性的情況下，把指標「推向極致」。

回想起青海湖上出現的種種問題，廖勝凱也覺得十分不易：「那時候非常擔心設備到了天上要怎麼辦，有沒有解決方法，會不會做不成。心裡也一直不是很踏實。但一旦開始做了這個項目，雖然過程艱辛，但面對夢想，我們這個年輕的團隊又都捨不得放棄。「

他提到，在天上，衛星要面對遠比地面複雜的境況。首先，地面的精密光學實驗平台一般都較大，而設備的體積在衛星上是受到嚴格限制。其次，許多精密儀器很難承受住火箭發射時的振動。此外，太空中的溫度極不穩定，而失去了地球大氣層的保護，許多儀器在空間輻照的影響下會縮短壽命，甚至會被高能粒子擊中而直接燒掉。

不過，也幸好這是一支年輕的團隊，才能吸收比較多的新東西，敢於創新。「要不是這樣，我們很早就會被擋在門外，因為現有成熟的航天技術是無法支持這個實驗。」廖勝凱說道。

廖勝凱拿衛星上接收單光子的探測器舉了個例子。美國做的天上單光子探測器的噪音，是我們需求的兩個數量級以上，遠遠高於量子通信衛星能夠接受的指標。其中，空間輻照，就造成了比較大的擾動。針對空間輻照，一個傳統的思路就是用鉭或鋁板去「擋」。「一厘米厚的鋁板可能把輻照降低50%，而降低到10%，則需要十厘米厚鋁板，質量增加了十幾千克，但與指標還差一個數量級。這是一個有效的辦法，但也是有限的辦法。」廖勝凱說道。

為此，團隊另闢蹊徑，不是去「擋」這個雜訊，而是利用降低探測器工作溫度的方式，讓雜訊不在實驗結果中體現出來。

「墨子號」的原定發射時間，是2016年7月。然而，就在出廠前不久，團隊發現其中一個激光器的功率下降了。「當時專列都已經安排好了，進場東西都打包了」，廖勝凱回憶道，「不過團隊緊急分析討論，不行，還是把它拆了，我們應該搞清楚，不能帶著風險上天。」經過拆驗后，團隊發現是組裝時的工藝應力問題。經過工藝調整后，「墨子號」最終於8月16號成功升空，這個激光器也始終運行良好。

「要是它在天上功率出了問題，我們很可能就看不到圖片上，從天上打下來的那道漂亮的綠光啦。」廖勝凱笑著說道。

「無外乎是冷一點」

在「墨子號」三大科學實驗任務中，廖勝凱被分到量子密鑰分發實驗。而任繼剛自2005年加入潘建偉團隊以來，就一直參與量子隱形傳態實驗。

2008年，潘建偉團隊在北京八達嶺完成了16公里的自由空間量子隱形傳態。他們曾想效仿狼煙傳信，在北京八達嶺長城的烽火台上做實驗，最終因為文物保護問題未能如願，只能轉戰賓館的樓頂

在工程方面，任繼剛面對的主要挑戰，在於量子隱形傳態，是「墨子號」三大實驗中，唯一一個從地面向衛星發送光子的實驗。

「那兩個實驗（量子糾纏分發和量子密鑰分發）是從天上往地下發，地面上是大口徑的望遠鏡接收。這種大口徑的望遠鏡，我們國家的技術已經比較成熟。」

從衛星上下行的光束，先經過長距離的真空，再穿過最後十幾公里的近地面大氣層，光斑直徑大約有十幾米。此時產生一些擾動，對接收效果影響並不大。而從地面「上傳」，光束會首先經過大氣層的干擾。

為此，團隊挑選了阿里這個實驗地點：海拔高，光束可以少「走」一些路，年均降水少，空氣乾燥，人類活動的干擾也少。但也因如此，團隊不得不面臨另一個挑戰：較為惡劣的自然條件。

負責地面站望遠鏡工程的任繼剛，驗收了5個地面站中的4個：2014年的河北興隆站，2015年的新疆南山站和青海德令哈站，2016年的阿里站。

任繼剛回憶道，他最早曾在2013年上阿里考察。直到2016年10月，地面站才通了公路。在此之前，那裡只有一條用挖掘機和推土機「簡單粗暴」推出來的一條土路：「只有四驅的越野車能夠上去，還是像坐過山車一樣。」

因此，地面站上面無法進行大型的土木工程，只能搭建工地上常見的彩鋼棚。運輸設備也是一個大問題。任繼剛說道：「我們最後想了一個什麼辦法把設備運上去呢？就是把它掛在挖掘機的鬥上，讓它托著，然後兩個人在旁邊扶著不讓晃，一點一點挪上去的。」最後大約1到2公里的路，他們「挪」了2個多小時。

冬天時，阿里日照時間短，地面站里的太陽能電池板供電不足。為了首先保證設備的運行，團隊只能停掉操作間的空調。「墨子號」會在每天的凌晨經過阿里上方的夜空，那時，地面站的溫度大約在零下20到30度。

談起那些穿著軍大衣、坐在電腦桌前的夜晚，任繼剛倒是覺得並沒有特別辛苦：「無外乎是冷一點，然後動起來會喘。在團隊里，我算年紀比較大的了，在阿里那個團隊都是85后，還有一個87年的女博士后。本身這就是自己感興趣的事，又能看到勝利的曙光，所以幹勁兒比較足。」

甚至，在回到中科大上海研究院的辦公室，面對一些繁瑣的日常工作，任繼剛還會偶爾懷念起在海拔5100米之上，專註做一件事的單純時光：「在阿里的時候每天很充實。每天凌晨3點左右，它（「墨子號」）都會在自己頭頂經過，實驗做完然後差不多開一小時的車下山，稍微吃點東西。睡到下午兩三點起來，正好天上的數據下來，起床一邊吃飯一邊把數據下下來，然後吃完就處理數據，大家開一個小會，討論一下數據如何，今天做什麼，就又該吃晚飯了。」

下一代量子通信衛星：微納衛星

圓滿完成了「墨子號」的三大科學試驗任務，任繼剛一方面鬆了一口氣，一方面也興奮起來：現在，他們可以利用這個珍貴的星地平台，測試更多有趣的、激動人心的點子。利用好「墨子號」的剩餘壽命，獲得儘可能多的第一手數據。

「其實搞科研，十個想法里能有一個有一定的可行性，那就賺到了。你可以說這充滿了不確定性，也可以說這充滿了挑戰性。」任繼剛說道。

在這次量子隱形傳態實驗中，量子糾纏和貝爾態測量都是在阿里的地面站中進行的。下一步，團隊將在星地量子糾纏分發的基礎，再進行貝爾態測量，實現地面站之間的量子隱形傳態。

這裡存在時間差，就涉及到一個存儲量子態的問題。任繼剛介紹道，他們正在糾纏源和干涉儀方面進行設計。同時，團隊希望和冷原子領域、量子存儲領域的研究進行合作，實現突破。

此外，「單兵作戰」的「墨子號」位於近地軌道上，運行速度較快，而且受陽光、陰雨天氣條件的限制，至少需要三天才能完成全球站點覆蓋。為了搭建全球量子通信網路，潘建偉團隊必須發射更多低軌或高軌的量子通信衛星，組建星座，儘可能實現在地球上的任意地點，只要天氣條件合適，即可實踐量子通信。

不久前，潘建偉團隊在《自然·光子學》期刊（Nature Photonics）上發表了在青海湖白天遠距離（53公里）自由空間量子密鑰分發的成果。下一代量子通信衛星將不再怕光，能夠白天上崗。

為了降低成本，團隊會轉向小型化的衛星——幾十千克的微納衛星。廖勝凱介紹道，下一批的量子通信衛星可能會批量生產。

通過十幾年，潘建偉團隊在地面光纖和衛星量子通信領域都建立了國際領先的地位。廖勝凱提到，奧地利、德國、義大利都有團隊，希望建立地面站，與「墨子號」進行合作實驗。

「奧地利雖然也早已有類似的方案，但歐洲的決策支持力度不如國內。所以我們能比較快地走上這條成功的路。其實他們還是挺羨慕我們有機會去做這件事。」廖勝凱說道。

責任編輯：劉冬宇