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协作并进 以国家实力托举量子科学梦
| 16-08-16| 访问次数: | 【 【打印】【关闭】

  816日,我国首颗量子科学实验卫星发射升空。卫星顺利进入预定轨道,发射任务取得圆满成功。这颗被命名为墨子的卫星,肩负着建立星地间量子科学实验平台,开展多项大尺度量子科学实验的重任,并将见证我国成为世界上第一个实现星地间量子通信的国家。 

  量子卫星的载荷分系统是实现此次科学实验任务的核心。中国科学院上海技术物理研究所(下称技物所)作为载荷总体责任单位,与中国科学技术大学(下称中科大)、中国科学院上海光学精密机械研究所(下称上光所)共同完成载荷单机的研制。本项工程由中国科学院国家空间科学中心抓总负责,上海微小卫星工程中心负责卫星平台研制。卫星上天后,将陆续按计划开展高速量子密钥分发、广域量子通信网络、星地量子纠缠分发以及地星量子隐形传态等多项科学实验任务。 

发射现场图

  瞄准国际前沿 提前筹谋 

  量子通信利用量子力学基本原理、量子系统特有属性以及量子测量方法来实现信息传递,是国际上量子物理和信息科学的研究热点。中国科学院关于量子通信的前瞻布局始于2007年。中国科学院知识创新工程重大项目“空间尺度量子实验关键技术研究与验证试验”整合了院内科学研究和系统研发的优势力量,集中开展星地量子通信关键技术攻关。以中科大潘建伟院士为首的科学家团队负责实验的基础理论研究与攻关;技物所以其在空间激光主动探测、空间运动部件研制与控制等技术优势,在王建宇研究员的领导下负责空间载荷的工程化攻关,参加单位还包括上海微小卫星工程中心和上光所等。研究团队成功完成了量子通信系统和量子存储、星地捕获对准跟踪(APT)系统及光机系统、卫星平台的两维姿态机动和控制等关键技术攻关,并在青海湖地区实现了基于浮空运动平台的量子密钥分发以及百公里量级量子力学非定域性检验,为星地量子实验总体方案制定、工程产品研制等打下坚实技术基础。2011年,量子科学实验卫星工程正式立项,成为中国科学院先导计划五颗科学实验卫星之一。 

地面实验示意图

  优势互补 完成协同攻关  

  量子卫星上搭载的4个有效载荷,由技物所牵头研制量子密钥通信机和量子纠缠发射机,中科大牵头研制量子纠缠源、量子实验控制与处理机。近10年,走通天地量子科学实验之路并非易事。空间量子实验设备的研制要求极高,卫星与地面站的微弧度高精度跟瞄,高保偏量子信号偏振调制,近衍射极限量子光发射,高精密量子纠缠光源的航天工程化等一个个载荷工程研发最难最核心的技术问题都成为了拦路虎。 

  技物所工程研发团队与中科大科学家团队,取长补短,优势互补。“科学家们发扬孜孜不倦理论探求精神,“工程师们充分发扬严慎细实的航天研发精神,稳扎稳打。针对这些技术难题,团队按照专项技术攻关来处理,从一开始进行技术可行性论证,然后设计攻关方案,根据攻关方案开展理论分析、实验验证、重复迭代等,最后对关键技术进行总结。研究团队从无到有,一方面吸收采纳国内外的相关先进成果,另一方面开展一系列的自主研究,在相关关键技术上取得了国际领先的成果。以高保偏量子信号偏振调试为例,上海技物所以其镀膜专业室的优势,在镀膜工艺上进行大胆突破,实现上万比一的分色片镀膜,同时采取相位延迟互补、残差补偿、小角度入射等多个设计手段,成功将整机偏振提高到3001以上。在日复一日的合作中,科学家”们学会了工程管理的一套规章制度,做事有依据有规程,“工程师们在实践中历练提高了理论分析能力,从科学的视角和方法对待发生的技术难题。在载荷研制单位的协同创新下,团队自主研制了高速诱骗态量子密钥分发光源和轻便的收发整机,自主发展了高精度的跟瞄、高精度同步和高衰减链路下的高信噪比及低误码率单光子探测等关键技术,为实现星地量子通信打下了坚实技术基础。

团队在发射基地

有效载荷科学任务专项试验

有效载荷热光试验

  立足上海 面向量子科技未来 

  天地一体化量子通信技术将不仅是我国保密通信领域“杀手锏”技术研发的重大突破,更是我国空间光电技术实现从跟随创新到引领创新、从集成创新到原始创新的跨越。据公开资料显示,上海市科委自2003年以来,已累计投入近1.2亿元支持量子方向相关项目。技物所2008年获得上海市基础重大科研项目支持的“空间尺度量子实验关键技术”项目,围绕空间尺度量子实验的最终目标,从空间量子信道理论和单光子偏振探测两个方面开展基础研究。在空间尺度单光子与光学介质相互作用和传输信道理论、InGaAs-APD单光子探测系统、单光子偏振态控制与检测技术、超导SNSPD单光子探测器件与系统、硅-雪崩光电二极管单光子探测系统等方面取得了一系列突破与自主知识产权。不仅为量子科学实验卫星打下坚实技术基础,也为量子通信的后续发展作了较好的技术铺垫。 

  目前,上海已将“量子通信”列入科创中心“22条”意见的重大战略项目,并在“十三五”科技创新规划中将“量子材料与量子通信”作为重要战略方向进行部署。技物所“光电联合调控的量子操控材料与器件研究项目已获得上海市科委重大专项支持。可以预见,技物所将在量子科学的探索道路上,发挥其系统集成与器件研发双轮驱动优势,更好地走实创新之路。

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