8月10日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)宣布，全球首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號”圓滿完成了三大科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)：量子糾纏分發(fā)、量子密鑰分發(fā)、量子隱形傳態(tài)。

1200公里的超遠(yuǎn)距離量子糾纏分發(fā)成果，1個(gè)月前曾登上頂級學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》的封面。這次，星地間的遠(yuǎn)距離量子密鑰分發(fā)、量子隱形傳態(tài)，又同時(shí)發(fā)表在另一頂級學(xué)術(shù)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”收獲了全世界的目光。它“昨天”的印記留在合肥的大蜀山、北京的八達(dá)嶺、百余公里的青海湖，還有海拔5100米的西藏阿里。而對于 “明天”的全球量子通信星座網(wǎng)絡(luò)來說，“墨子號”僅僅是個(gè)探路者。

2016年11月9日，在河北興隆觀測站，“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星過境，科研人員在做實(shí)驗(yàn)(合成照片)。新華社 資料圖

這次量子密鑰分發(fā)論文的第一作者、中科大副研究員廖勝凱向感慨起往事：“我本科也學(xué)過量子力學(xué)，但說實(shí)話，很多地方不怎么能理解，學(xué)完后我就想，這個(gè)方向不太擅長，我以后就做個(gè)電子學(xué)工程師，估計(jì)不需要用到這些沒太學(xué)懂的量子力學(xué)知識(shí)了。”

驀然回首，立志做電子學(xué)工程師的廖勝凱，進(jìn)入他“沒學(xué)懂”的量子力學(xué)領(lǐng)域，已經(jīng)快十年了。

量子隱形傳態(tài)論文的第一作者、中科大副研究員任繼剛，則更期待在基礎(chǔ)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(xué)家謝爾頓“看不起”實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家萊納德，萊納德又“看不起”工程師霍華德。完成“墨子號”的計(jì)劃實(shí)驗(yàn)之后，任繼剛希望用這樣一個(gè)星地平臺(tái)，測試更多激動(dòng)人心的點(diǎn)子。

“這個(gè)東西不可能”

早在2003年左右，潘建偉就意識(shí)到，要構(gòu)建一個(gè)實(shí)用化的全球量子保密通信網(wǎng)絡(luò)，衛(wèi)星是目前最可行的一個(gè)方案。這是因?yàn)?，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(fā)下來，或者發(fā)到天上去。很多人都覺得這個(gè)太難了。廖勝凱在加入團(tuán)隊(duì)后，面對了無數(shù)的挑戰(zhàn)，他把這個(gè)過程稱為“打怪獸”：“來一個(gè)小怪獸就打小怪獸，來一個(gè)大怪獸就打大怪獸。”此時(shí)，廖勝凱深刻體會(huì)到了潘建偉在項(xiàng)目初期面臨的壓力。

面對質(zhì)疑，最好的回應(yīng)就是實(shí)驗(yàn)結(jié)果。2005年，潘建偉、彭承志等人就在合肥大蜀山實(shí)現(xiàn)了13公里的量子糾纏分發(fā)。這個(gè)傳輸距離超過了大氣層的等效厚度，證實(shí)了遠(yuǎn)距離自由空間量子通信的可行性。

2011年，潘建偉團(tuán)隊(duì)又在青海湖實(shí)現(xiàn)了首個(gè)超過100公里的量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)。任繼剛回憶道，研究團(tuán)隊(duì)翻遍中國地圖，發(fā)現(xiàn)在中國最大湖泊的中心恰有一個(gè)小島。青海湖北岸到青海湖南岸，恰好是一百余公里的長度，湖面上也沒有任何遮擋。

在青海湖，潘建偉團(tuán)隊(duì)完成了全方位的衛(wèi)星技術(shù)論證，包括氣浮平臺(tái)、模擬星地相對運(yùn)動(dòng)、百公里級量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)等。至此，衛(wèi)星的基本問題已經(jīng)解決，還需攻克一些工程化穩(wěn)定性。

2011年底，他們迎來了一個(gè)關(guān)鍵的節(jié)點(diǎn)——中科院空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)將“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”正式立項(xiàng)。

主要負(fù)責(zé)衛(wèi)星載荷電子學(xué)的廖勝凱，描述了他們打過的其中一個(gè)“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(fā)出1萬個(gè)光子，地面上只能收到10個(gè)。但是，我們需要搞清楚地面這十個(gè)光子是天上發(fā)射的哪十個(gè)光子。這就要解決所謂時(shí)間上的同步問題。我們的發(fā)射頻率是一百兆，也就是光子之間的時(shí)間間隔是10納秒(1納秒=1/1000000000秒)。這10納秒內(nèi)，真正發(fā)射光子的時(shí)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(shí)間同步，從而確定地面收到的光子與天上發(fā)射光子的對應(yīng)關(guān)系，同時(shí)去除噪聲。”

“在論證的時(shí)候，其實(shí)別人都說這個(gè)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(jié)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(wèi)星的原理樣機(jī)時(shí)，廖勝凱還沒有完全體會(huì)到這句話的含義。但越到后來，他越感同身受。

衛(wèi)星遠(yuǎn)在天外500公里，無法維修，能否圓滿完成科學(xué)目標(biāo)，都取決于地面上的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。為此，團(tuán)隊(duì)不得不在兼顧可靠性和穩(wěn)定性的情況下，把指標(biāo)“推向極致”。

回想起青海湖上出現(xiàn)的種種問題，廖勝凱也覺得十分不易：“那時(shí)候非常擔(dān)心設(shè)備到了天上要怎么辦，有沒有解決方法，會(huì)不會(huì)做不成。心里也一直不是很踏實(shí)。但一旦開始做了這個(gè)項(xiàng)目，雖然過程艱辛，但面對夢想，我們這個(gè)年輕的團(tuán)隊(duì)又都舍不得放棄。“

他提到，在天上，衛(wèi)星要面對遠(yuǎn)比地面復(fù)雜的境況。首先，地面的精密光學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)一般都較大，而設(shè)備的體積在衛(wèi)星上是受到嚴(yán)格限制。其次，許多精密儀器很難承受住火箭發(fā)射時(shí)的振動(dòng)。此外，太空中的溫度極不穩(wěn)定，而失去了地球大氣層的保護(hù)，許多儀器在空間輻照的影響下會(huì)縮短壽命，甚至?xí)桓吣芰Ｗ訐糁卸苯訜簟?/p>

不過，也幸好這是一支年輕的團(tuán)隊(duì)，才能吸收比較多的新東西，敢于創(chuàng)新。“要不是這樣，我們很早就會(huì)被擋在門外，因?yàn)楝F(xiàn)有成熟的航天技術(shù)是無法支持這個(gè)實(shí)驗(yàn)。”廖勝凱說道。

廖勝凱拿衛(wèi)星上接收單光子的探測器舉了個(gè)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(gè)數(shù)量級以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于量子通信衛(wèi)星能夠接受的指標(biāo)。其中，空間輻照，就造成了比較大的擾動(dòng)。針對空間輻照，一個(gè)傳統(tǒng)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(zhì)量增加了十幾千克，但與指標(biāo)還差一個(gè)數(shù)量級。這是一個(gè)有效的辦法，但也是有限的辦法。”廖勝凱說道。

為此，團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，不是去“擋”這個(gè)噪聲，而是利用降低探測器工作溫度的方式，讓噪聲不在實(shí)驗(yàn)結(jié)果中體現(xiàn)出來。

“墨子號”的原定發(fā)射時(shí)間，是2016年7月。然而，就在出廠前不久，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)激光器的功率下降了。“當(dāng)時(shí)專列都已經(jīng)安排好了，進(jìn)場東西都打包了”，廖勝凱回憶道，“不過團(tuán)隊(duì)緊急分析討論，不行，還是把它拆了，我們應(yīng)該搞清楚，不能帶著風(fēng)險(xiǎn)上天。”經(jīng)過拆驗(yàn)后，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)是組裝時(shí)的工藝應(yīng)力問題。經(jīng)過工藝調(diào)整后，“墨子號”最終于8月16號成功升空，這個(gè)激光器也始終運(yùn)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(diǎn)”

在“墨子號”三大科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)中，廖勝凱被分到量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)。而任繼剛自2005年加入潘建偉團(tuán)隊(duì)以來，就一直參與量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)。

2008年，潘建偉團(tuán)隊(duì)在北京八達(dá)嶺完成了16公里的自由空間量子隱形傳態(tài)。他們曾想效仿狼煙傳信，在北京八達(dá)嶺長城的烽火臺(tái)上做實(shí)驗(yàn)，最終因?yàn)槲奈锉Ｗo(hù)問題未能如愿，只能轉(zhuǎn)戰(zhàn)賓館的樓頂

在工程方面，任繼剛面對的主要挑戰(zhàn)，在于量子隱形傳態(tài)，是“墨子號”三大實(shí)驗(yàn)中，唯一一個(gè)從地面向衛(wèi)星發(fā)送光子的實(shí)驗(yàn)。

“那兩個(gè)實(shí)驗(yàn)(量子糾纏分發(fā)和量子密鑰分發(fā))是從天上往地下發(fā)，地面上是大口徑的望遠(yuǎn)鏡接收。這種大口徑的望遠(yuǎn)鏡，我們國家的技術(shù)已經(jīng)比較成熟。”

從衛(wèi)星上下行的光束，先經(jīng)過長距離的真空，再穿過最后十幾公里的近地面大氣層，光斑直徑大約有十幾米。此時(shí)產(chǎn)生一些擾動(dòng)，對接收效果影響并不大。而從地面“上傳”，光束會(huì)首先經(jīng)過大氣層的干擾。

為此，團(tuán)隊(duì)挑選了阿里這個(gè)實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：海拔高，光束可以少“走”一些路，年均降水少，空氣干燥，人類活動(dòng)的干擾也少。但也因如此，團(tuán)隊(duì)不得不面臨另一個(gè)挑戰(zhàn)：較為惡劣的自然條件。

負(fù)責(zé)地面站望遠(yuǎn)鏡工程的任繼剛，驗(yàn)收了5個(gè)地面站中的4個(gè)：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，那里只有一條用挖掘機(jī)和推土機(jī)“簡單粗暴”推出來的一條土路：“只有四驅(qū)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(jìn)行大型的土木工程，只能搭建工地上常見的彩鋼棚。運(yùn)輸設(shè)備也是一個(gè)大問題。任繼剛說道：“我們最后想了一個(gè)什么辦法把設(shè)備運(yùn)上去呢?就是把它掛在挖掘機(jī)的斗上，讓它托著，然后兩個(gè)人在旁邊扶著不讓晃，一點(diǎn)一點(diǎn)挪上去的。”最后大約1到2公里的路，他們“挪”了2個(gè)多小時(shí)。

冬天時(shí)，阿里日照時(shí)間短，地面站里的太陽能電池板供電不足。為了首先保證設(shè)備的運(yùn)行，團(tuán)隊(duì)只能停掉操作間的空調(diào)。“墨子號”會(huì)在每天的凌晨經(jīng)過阿里上方的夜空，那時(shí)，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，任繼剛倒是覺得并沒有特別辛苦：“無外乎是冷一點(diǎn)，然后動(dòng)起來會(huì)喘。在團(tuán)隊(duì)里，我算年紀(jì)比較大的了，在阿里那個(gè)團(tuán)隊(duì)都是85后，還有一個(gè)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，所以干勁兒比較足。”

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(huì)偶爾懷念起在海拔5100米之上，專注做一件事的單純時(shí)光：“在阿里的時(shí)候每天很充實(shí)。每天凌晨 3點(diǎn)左右，它(“墨子號”)都會(huì)在自己頭頂經(jīng)過，實(shí)驗(yàn)做完然后差不多開一小時(shí)的車下山，稍微吃點(diǎn)東西。睡到下午兩三點(diǎn)起來，正好天上的數(shù)據(jù)下來，起床一邊吃飯一邊把數(shù)據(jù)下下來，然后吃完就處理數(shù)據(jù)，大家開一個(gè)小會(huì)，討論一下數(shù)據(jù)如何，今天做什么，就又該吃晚飯了。”

下一代量子通信衛(wèi)星：微納衛(wèi)星

圓滿完成了“墨子號”的三大科學(xué)試驗(yàn)任務(wù)，任繼剛一方面松了一口氣，一方面也興奮起來：現(xiàn)在，他們可以利用這個(gè)珍貴的星地平臺(tái)，測試更多有趣的、激動(dòng)人心的點(diǎn)子。利用好“墨子號”的剩余壽命，獲得盡可能多的第一手?jǐn)?shù)據(jù)。

“其實(shí)搞科研，十個(gè)想法里能有一個(gè)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(zhàn)性。”任繼剛說道。

在這次量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)中，量子糾纏和貝爾態(tài)測量都是在阿里的地面站中進(jìn)行的。下一步，團(tuán)隊(duì)將在星地量子糾纏分發(fā)的基礎(chǔ)，再進(jìn)行貝爾態(tài)測量，實(shí)現(xiàn)地面站之間的量子隱形傳態(tài)。

這里存在時(shí)間差，就涉及到一個(gè)存儲(chǔ)量子態(tài)的問題。任繼剛介紹道，他們正在糾纏源和干涉儀方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)希望和冷原子領(lǐng)域、量子存儲(chǔ)領(lǐng)域的研究進(jìn)行合作，實(shí)現(xiàn)突破。

此外，“單兵作戰(zhàn)”的“墨子號”位于近地軌道上，運(yùn)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(diǎn)覆蓋。為了搭建全球量子通信網(wǎng)絡(luò)，潘建偉團(tuán)隊(duì)必須發(fā)射更多低軌或高軌的量子通信衛(wèi)星，組建星座，盡可能實(shí)現(xiàn)在地球上的任意地點(diǎn)，只要天氣條件合適，即可實(shí)踐量子通信。

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

為了降低成本，團(tuán)隊(duì)會(huì)轉(zhuǎn)向小型化的衛(wèi)星——幾十千克的微納衛(wèi)星。廖勝凱介紹道，下一批的量子通信衛(wèi)星可能會(huì)批量生產(chǎn)。

通過十幾年，潘建偉團(tuán)隊(duì)在地面光纖和衛(wèi)星量子通信領(lǐng)域都建立了國際領(lǐng)先的地位。廖勝凱提到，奧地利、德國、意大利都有團(tuán)隊(duì)，希望建立地面站，與“墨子號”進(jìn)行合作實(shí)驗(yàn)。

“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(nèi)。所以我們能比較快地走上這條成功的路。其實(shí)他們還是挺羨慕我們有機(jī)會(huì)去做這件事。”廖勝凱說道。

相關(guān)關(guān)鍵詞： 通信衛(wèi)星 量子 任務(wù)