科普中國公眾號
科普中國微博
幫助8月16日凌晨，伴隨著世界首顆量子科學實驗衛星在酒泉圓滿發射成功，中國人的“飛天”夢想再一次在這片古老的土地上綻放，從此，頭頂的浩瀚的星空里也多了一份屬于中國和世界的“量子”牽掛。
從最初的研制到發射，量子衛星承載了太多關注的目光與期許，那么，這顆舉世矚目的“新星”到底有多牛氣？其技術實現難度又有多高？在酒泉衛星發射中心，量子科學實驗衛星工程常務副總師兼衛星總指揮王建宇，向《中國科學報》記者講解了量子衛星技術的諸多“極限挑戰”。
天地一體化連通：從太空向地面存錢罐扔硬幣
在量子通信中，最大的難點在于如何實現天地一體化的量子聯通。這就好比在萬米高空，往地面的一個存錢罐里扔硬幣，需要準確地將硬幣投擲于儲蓄罐的狹小入口。如果出現一點點偏差，信息的傳遞便會功虧一簣。
“量子的編碼，就像計算機編碼0101一樣，有正負、垂直、水平等不同狀態，要把量子的偏振方向檢測出來，才能變成密碼。”王建宇介紹說，量子里面有兩組狀態，一組是正交的，一組是傾斜45度的，所以，一共有四個不同的偏正狀態。
不僅如此，地面上的存錢罐（接收裝置）和天空中的投擲者（量子衛星）也不安生，它們都在不停地旋轉運動。
“這就是瞄準和檢測偏正的最大難度所在，我們要在雙方都處于運動狀態的情況下完成信息傳遞。”王建宇強調，稍微對不上一點點都不行，如果這樣，地面上收到的就是誤碼了。
據王建宇介紹，一旦誤碼率高于3.5%，信息傳輸就沒有意義了。“3.5%是個底線，通常我們會把誤碼率控制在1%~2%之間。”
探測器靈敏度：在地球上看到月球的火柴光
如果說從太空向地面存錢罐扔硬幣已經讓人感到咋舌，那接下來的技術則更加讓人目眩。
量子衛星采用的是單光子探測器，其目的是實現對每一個光子的捕捉。那么，這是一個什么概念呢？
“一個60瓦的燈泡，每秒鐘發射的光子數大約是10×10的二十次方個，而一根火柴的最大光亮大約是3~5瓦。”王建宇說，量子衛星探測器靈敏度相當于在月球上點根火柴，我們在地球上用望遠鏡可以看到它的亮光。
如果考慮到火柴點燃后，光向四面八方的擴散效應，其觀測難度可想而知。“探測器的靈敏度必須達到這種程度，才能捕獲來自太空中的一顆顆光子。否則的話，天上的量子衛星就沒有存在的意義了。”王建宇說。
時間同步設置：一秒鐘給一億個光子排排隊
在太空中，量子衛星每秒鐘大約向地面發射一億個光子，需要地面接收裝置對所有光子進行接收。然而，這個接收過程并非來者不拒，而是要講究個先來后到。
“我們必須知道每個光子是第幾個發出來，信息傳遞就是必須發送端和接收端是能夠對的上的，要有一個完整的序列。”王建宇說。
將光子們一一對接起來的辦法，就是時間同步。“我們現在的接收頻率能做到一個納秒，也就是在一秒鐘之內，把一億個光子全都排列好。”
心理難關：這是一項從未有過的探索
與此前眾多追趕、超越的老劇本不同，量子通信這條路，是中國科學家自己一步步趟過來、摸出來的。
“我們以前做各種各樣的衛星的時候，一般都有個參考。盡管人家不會把技術告訴你，但是至少心理上是有個預期的，因為別人已經做成了。我們相信通過自己研究總能成功，心里有這個底。此外，中國已經有很多例證，盡管起步晚，但卻實現了趕超。”王建宇如是說。
然而，量子衛星不一樣。“這個東西到底行不行，剛開始做的時候，我們心里真的是沒底。”王建宇感概地說，盡管我們經手的大大小小的衛星研制工作已經無以計數，但量子衛星對于所有參與者都是一個從未有過的巨大挑戰。
談及量子衛星的發射成功，王建宇很是平淡。“對于人類探索量子物理世界和空間科學的腳步而言，這僅僅是個開始吧。”
京公網安備11010202008423號 京ICP備 16016202號-1