-
曹原:仰望量子星 感叹祖国科技伟大也治好了我多年的颈椎病
关键字: 量子卫星关于通信
量子卫星 为什么
首先我们为什么要搞量子卫星?我们知道无论是经典的通信还是我们现在讲的量子通信,只要是通信的话,一般来说有两种信道,一种是光纤这个信道,另外一种就是所谓自由空间。自由空间的意思就是,比如是我们的手机,这种无线电的通信,光通信也可以在自由空间,不只是在光纤里面去传,就是在空间里去传,比如说我们卫星,星地之间。
这两种信道其实没有说谁好谁坏,他们各自有各自的特点,我们希望的是把这两种方式结合在一起,最大程度地满足我们日常生活的需求。我们知道光纤信道有一个特点是什么呢,光纤信道如果用光做实验的话,它本身有一个叫做退相干的效应,就是说对光的状态的扰动会比较剧烈。再一个光纤它有一个固定的衰减,基本上这个衰减是一个乘起来的关系。所以当光纤做得越来越长的时候,那你这个光的衰减是非常可观的。
如果在我们的量子通信里面,如果用光纤来做的话,不同于经典通信,经典通信可以把光无限的功率放大,但是量子通信是不可以用这样经典的办法去放大的。所以当我们需要更远距离去传输的时候,比如说上千公里这种级别的时候,可能这个事情就办不了。
我们这个领域有一个著名的学者N. Gisin,他举过一个例子,即使我们用最好的单光子源,如果通过1000公里的这个光纤,没有任何中继的情况去传输的话,如果接收到另一头,我想获得一个光子需要多长时间?需要三百年,所以这个基本上就是完全不可能实现的事情。
量子卫星 怎么做
如果我们要实现全球的量子通信,就是更广域的量子通信,我们有没有更好的办法可以解决这个问题?肯定是有的,就是我们自由空间信道,我们来通过这个卫星平台来做中继。这个自由空间信道有什么好呢,我们在大气的环境下,它其实也有衰减,但是当我们做这个星地空间的时候,因为我们的垂直大气,它的密度是有梯度的衰减,也就是越到外面大气的成分越少,所以基本上我们知道垂直大气的等效厚度是10公里,再往外的外层空间其实就是接近真空的状态。在这样的信道里面,光子本身就可以不受任何干扰,它的衰减也几乎为零,所以利用这个优势,就可以利用卫星平台,来实现更广域的量子通信。
这个量子通信这个领域在自由空间这一块竞争也是非常激烈的,我们知道潘老师早年在欧洲的时候,跟他的导师在欧洲,回国以后在这个领域其实展开了非常激烈的竞争。这个是当时2012年的一篇报道,我们看下面他列的,基本上上面是欧洲的工作,下面是我们国内的工作。经过将近十年的发展,基本上你看我们做一个13公里的,他们也会去做一个更远的,我们做16公里的,他们做144公里,大家一直在竞争,从传输距离,从不管是密钥分发等等都在竞争。
我们现在可以很高兴地说了,最终我们在中国,在潘老师的团队,我们在这场竞争中,我们是占得了先机,我们领先欧洲,领先美国更早地发射这颗量子科学实验卫星。这个项目是在2011年底立项,大家看新闻就知道,去年8月16日的时候,墨子号就成功在酒泉基地发射,历时差不多是五年的研究时间。
关于卫星
量子卫星 天上
现在我们分开讲一下,因为我们量子科学实验卫星不同于其他卫星,它是一个通信卫星,而且是光通信。那么它是一个天地一体化的事情,不是说我将一颗卫星发到天上,下面就不用管了,它下面自己测就没事了,它是每一次实验每一次通信都要天地去配合,所以基本上分成两大块,一个是天上,天上的卫星我们有效载荷主要是四大有效载荷,一个是我们量子实验与处理系统,它是负责整个卫星上面的各种实验的数据传输、实验任务的分配,下面我们有另外三个载荷,一个是量子纠缠源,如果我做量子密钥分发,我从卫星到两个地面站去做,我天上需要有这么一个量子光源。
你有了量子光源还不够,你需要卫星跟地面去对接,所以我们有一个量子密钥通信机和量子纠缠发射机,这两个单机实际上都是我们叫光学天线也好或者叫望远镜也好,你可以把它理解成一个装在卫星上的望远镜,它负责把光信号发向地面。
这是我们的一些载荷的实物照片,这边的大块头就是我们量子密钥发射机,这个桶状的东西就是一个大口径的望远镜。它下面的这个盒子里面,就集成了很多比如说我们做密码的光子源,还有里面的这个跟踪设备,就是说你的光打下去和地上的光打上来,我要识别它,然后捕获它。根据反馈实时要对准。这边就是我在项目里主要负责的量子纠缠源,听起来很神秘,但实际上它也是具体的由光学、电子学的设备组合成的。
这么一个光源当时的技术难度也是很大的,因为从来没有人发过类似的产品上天,我们把这个东西从实验室的光学平台里头,搬到这个上面,一个方面就是光学要很精密,它的稳定性要非常好,再一个各种电子学的设备在里面,它要抗振动、抗真空,各种环境实验,所以这个其实也是一个非常难的事情。这是我们整个量子卫星在总装,就是外壳罩起来之前,所有载荷放在一起的照片,这个已经是最后的产品。
我们可以看到这里还有一个,这个就是另外一个发射单机,纠缠源就是在这几个盒子里面放着。我今天还带了一个模型实物,大家可以简单看一下。
我们这颗卫星还属于微小卫星,就是说整体重量大概在一吨左右,这是我们最后上天的卫星大概什么样子,这两个翅膀大家都知道,这是太阳能的电池板,这个卫星在天上自主轨道里飞以后,它所有的能源,这里面有激光器、姿态控制,所有的能源,电的能源、热控的能源,全部是靠这两个太阳能板来给它充电,里面有蓄电池。大家可以看到这个黑色的桶,就是我们刚才讲的其中一个发射机,这个是另外一个,这个跟它的结构不太一样,它这个是两维去旋转的。基本上它在天上飞的时候,卫星整个姿态,让一个发射机对准一个地面站,这个因为它可以两维自由旋转,他去寻找另外一个地面的目标。
- 原标题:漫谈夜空中最亮的星——我们是怎么用量子的方式进行安全的信息传输的 本文仅代表作者个人观点。
- 责任编辑:孙武
-
最新闻 Hot
-
加沙民众上街庆祝,结果以色列说…
-
44岁男子穿裙子戴假发只为逃出乌克兰,被抓现行
-
一驻韩美军在俄被捕,“涉盗窃和殴打女性”
-
普京下令“核武演习”,美方回应
-
3个月后米莱终于回应:岛在他们手上,不把这当挑衅
-
“欧盟工具箱里没有美国式TikTok禁令,他们有自己的方式”
-
地面进攻在即?以军疏散拉法平民,哈马斯警告“后果”
-
中法欧领导人三方会晤结束
-
“我明确一点,不建议对华保持距离,我们需要中国人”
-
“五一”近3亿人次出游,较2019年同期增长28.2%
-
欧盟又挑争端?点名上汽、比亚迪、吉利,或抬高关税
-
问界回应山西M7车祸四大疑问:事发车速超过AEB工作范围
-
德国外长炒作:对待中国,不能再犯这个错
-
“美国这么做捞不到好处,还会便宜日韩”
-
自作自受?对俄制裁回旋镖射中一瘸一拐的波音
-
马科斯声称:菲律宾不希望加剧南海紧张局势
-