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作者： 记者 唐琳 来源： 发布时间：2016-8-19 15:30:3
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2011年，必威体育app官网：论证并启动了空间科学先导专项，2011年底，量子科学实验卫星项目正式立项。这既意味着中国科学家向完全自主研发世界首颗量子科学实验卫星发起挑战，更意味着中国或将先于欧美拥有量子通信覆盖全球的能力。
十年历程，铸剑五载。虽然立项于2011年，但若从前期技术贮备就开始算起，这条路中国足足走了十多年之久。
如今，全球首颗量子科学实验卫星已经准备就绪，“整装待发”。
十年积淀
量子通信和量子计算研究兴起后，世界各地的物理学家都纷纷开始构思可扩展量子信息处理网络的实现。在量子通信领域，当大多数人仍致力于实验室内部的原理性演示时，中国科学技术大学潘建伟团队已经开始思考如何能够在太空中实现量子信息传输，并早在2003年就初步构想了量子科学实验卫星计划。
在这一背景下，2005年，潘建伟团队实现了13公里自由空间量子纠缠和密钥分发实验，证实光子穿透大气层后，其量子态能够有效保持，从而验证了星地量子通信的可行性。
在星地自由空间量子通信重大突破的迹象出现后，现金足球网：高瞻远瞩，适时超常规启动了两个知识创新工程重大项目——“远距离量子通信实验研究”和“空间尺度量子实验关键技术与验证”。
在创新工程重大项目的支持下，潘建伟团队实现了16公里自由空间量子隐形传态，并与必威体育app官网：上海技术物理研究所、上海微小卫星工程中心、必威体育app官网：光电技术研究所等研究机构强强联手，发展了一系列自由空间量子通信的关键技术，先后实现了百公里级自由空间量子通信、星地量子通信的全方位地面验证等重要实验，为实现星地量子通信奠定了坚实的科学与技术基础。
至此，星地量子通信的可行性已经得到充分验证。此时，现金足球网：果断决策启动量子科学实验卫星工程立项论证，并将其列为空间科学先导专项的内容。
工程总体与六大系统
量子科学实验卫星的科学目标是开展星地高速量子密钥分发实验，并在此基础上进行广域量子密钥网络实验，以期在空间量子通信实用化方面取得重大突破；在空间尺度进行量子纠缠分发和量子隐形传态实验，开展空间尺度量子力学完备性检验的实验研究。
对于科学卫星来说，有效载荷的配置尤为重要，直接关系到能否将科学指标转化为工程指标，并实现科学目标。
为了满足量子科学实验卫星的科学目标要求，工程对有效载荷配置和指标要求进行了综合分析和论证，邀请领域专家进行讨论和评定，经过两次科学目标和有效载荷配置评审后，才最终确定了星上载荷配置。
之后，工程各系统根据卫星可行性方案开展了系统可行性论证，完成并通过了立项综合论证，进而明确了工程研制任务：
研制一颗量子科学实验卫星，研制生产一发长征二号丁运载火箭，在酒泉卫星发射中心将卫星发射至高度为500公里的预定轨道。同时建设以4个量子通信地面站和1个空间量子隐形传态实验站为核心的天地一体化量子科学实验系统。
随后，借鉴以往卫星工程管理经验，同时也根据量子科学实验卫星的特点和实际需求，设置了工程总体和六大系统，包括卫星系统、运载火箭系统、发射场系统、测控系统、地面支撑系统和科学应用系统。
工程总体负责制定工程研制计划，编制工程顶层文件，组织工程重大活动，协调系统间问题，同时对工程整个研制过程进行监督和管理。
六大系统分工明确：卫星系统主要负责卫星平台和有效载荷的研发，载荷包括量子密钥通信机、量子纠缠发射机、量子纠缠源和量子实验控制与处理机；
运载火箭系统主要负责运载火箭的研制和生产；
发射场系统选择酒泉卫星发射中心作为量子科学实验卫星的发射场，主要承担运载火箭和量子科学实验卫星的测试、发射任务，并提供地面技术支持与勤务保障；
测控系统负责对运载火箭主动段提供测控支持，对卫星平台实施测控及长期运行管理，支持开展科学实验，向地面支撑系统传输原始遥测数据，接收地面支撑系统传送的科学实验数据并完成数据的上行发送和下行接收；
地面支撑系统负责提供实验任务运行控制管理、数据接收、预处理、管理和归档等公用性支撑服务，是连接科学应用系统和测控系统的纽带，任务要求包括实验数据接收、实验任务运控管理、数据预处理与归档管理和地面通信网络支持等；
科学应用系统负责整个量子科学实验卫星工程科学实验计划的制订、科学实验的实施、科学数据和应用的处理传输存储管理与发布，其系统配置为：1个中心——合肥量子科学实验中心，4个站——南山、德令哈、兴隆、丽江量子通信地面站，1个平台——阿里量子隐形传态实验平台。
关键技术
作为我国自主研发的星地量子通信设备，量子科学实验卫星突破了一系列高精尖技术，既包括“针尖对麦芒”的星地光路对准、偏振态保持与星地基矢校正、量子纠缠源等工程级关键技术，也包括与有效载荷相关的多项先进技术。
量子科学实验卫星需要在两年的设计寿命中完成四大任务：星地高速量子密钥分发实验、广域量子通信网络实验、星地量子纠缠分发实验和地星量子隐形传态实验。
这些实验将通过我国自主研发的星地量子通信设备完成，它能够产生经过编码的、甚至是纠缠的光子并发射到地面上，与之对接的地面系统则负责“接收光子”，这种光子的发射与接收被称为“针尖对麦芒”。
然而这却不是一件容易的事情。量子科学实验卫星十分复杂，在它飞行的过程中，携带的两个激光器要分别瞄准两个地面站，向左向右同时传输纠缠光子。这就要求在飞行的过程中必须始终保证精确对准，跟踪要达到相当高的精度，这也是国际上从来没有人做过的。
“激光器一站对一站的有人做过，但是一颗卫星对准两个地面站的从来没有过，而且还要保证对得准确……如果能够做到的话，在国际上也是第一次做这么高精度的跟踪和地面站配合。”必威体育app官网：国家空间科学中心主任、空间科学先导专项科学卫星工程常务副总指挥吴季告诉我们。
为了让穿越大气层后光子的“针尖”仍能对上接收站的“麦芒”，量子科学实验卫星工程常务副总师兼卫星总指挥、现金足球网：上海技术物理所王建宇研究员带领团队，与潘建伟团队一道，从2012年起就开始进行各种实验——如收发距离40公里的转台实验，与卫星绕地运行的角速度一致；又如30公里距离的车载高速运动实验，考验超远距离“移动瞄靶”能力；再如热气球浮空平台，在空地环境下模拟量子密钥分发……
此外，单颗卫星的量子通信还只是最简单的点对点的信息传递。加上白天强烈的日光背景，目前的星地量子通信还只能在夜间进行，这就进一步限制了星地量子通信的效率。由于量子科学实验卫星的在轨设计寿命仅为两年，因此任务十分紧迫。
除了星地光路对准，星地链路偏振态保持与基矢校正也是另一个技术难点。为了突破这一瓶颈，研究人员首先通过载荷模样机研制，验证偏振性能，确定分色片等关键部件的技术状态；再进行地面站偏振保持方案原理验证，确定复核基矢校正计算算法；然后确定基矢测量受外界条件影响方式以及搭建地面站模拟终端进行载荷样机与地面站模拟终端联合试验等方式和渠道，终于明确了偏振态保持和基矢校正关键技术的实现方案和技术状态，并有效验证了关键技术的各项技术指标，确认其能够满足科学目标的需求。
量子科学实验卫星的科学目标之一是量子纠缠分发实验，在轨需要在星上制备高亮度纠缠光源，并将产生的纠缠光子对通过量子密钥通信机和量子纠缠发射机同时向两个地面站发射。
量子纠缠源的航天工程化也是量子科学实验卫星的一项关键技术。研究人员从纠缠源亮度、对比度、中心波长和光学接口指标几个方面着手，细化工程化指标，提炼出窄线宽泵浦激光器的空间适应性、高精度Sagnac干涉仪稳定性以及空间光纤极化控制三大技术难点，通过模样机的研制以及单模、保偏两种光纤极化控制方案的并行攻关，最终明确了量子纠缠源及光接口的技术状态，设计保证了关键技术的各项技术指标，且具有较大的裕度，满足科学任务的需求。
此次，量子科学实验卫星将包含4个有效载荷，分别是量子密钥通信机、量子纠缠发射机、量子纠缠源、量子实验控制与处理机。而针对4个载荷的技术攻关，也耗费了科学家和工程技术人员的大量时间和心血。
在高质量量子光束及低损耗链路技术方面，科学家们开展了近衍射极限量子光发射技术研究，理论分析了光纤出射光经过准直镜发射远场分布。分析表明，通过增大出射口径、提高光学质量等手段可优化发散角。于是，技术人员选择采用一定口径和焦距的光学系统进行实验室试验验证，最终实现了小于15urad的量子光发射发散角，并接近衍射极限。
在快速指向镜研制及超前瞄准技术方面，研究人员完成了自行研制快反镜的详细设计，进行了关键参数计算分析及系统建模，并完成了重要部件选型。产品指标为指向范围大于6mrad，固有频率大于1kHz。
在高亮度纠缠源技术方面，研究人员成功研制了高亮度量子纠缠源载荷单机，指标满足要求，并成功模拟了高损耗的量子纠缠分发实验。实验数据显示，以目前量子纠缠源产品的亮度和品质，足以实现单边链路损耗40dB的纠缠分发。
协同攻关
如今，随着量子科学实验卫星关键部件的成功交付，卫星发射准备就绪。但这一过程却凝聚了科学家团队和全体参研参试工程人员的心血。正是得益于工程队伍的协同攻关，团结一致，才保障了项目的顺利完成。
量子科学实验卫星不同于其他卫星的一个显著特点是星上和地面协同完成科学实验，即天地一体化实验，而且科学实验的数据流和指令流链路也较其它卫星更为复杂。
在工程研制初期，虽然科学家团队对科学目标和科学实验都了如指掌，但是很多工程研制人员还是对在轨科学实验流程感到困惑。由此由工程总体组织、科学应用系统编制了《量子科学实验卫星工程天地一体化实验流程分析报告》。科学家团队和工程各系统研制队伍之间通过对天地一体化实验流程的不断讨论和细化，接口关系和任务分工不断明确，使得工程队伍逐渐对科学实验及其过程有了清晰的认识；并在工程正样研制阶段，通过大系统联试进一步验证了在轨科学实验流程，以及系统间数据流和指令流的协调匹配性。
在研制过程中，各系统研制团队通力合作，精益求精。
卫星系统在方案阶段完成了星地光路对准、星地链路偏振态保持与基矢校正、星上量子纠缠源三项关键技术攻关，并通过了关键技术攻关评审；明确了卫星的总体技术方案，完成了整星初样设计，为工程实现奠定了基础。
初样阶段，卫星系统完成了结构热控星、电性星、鉴定星研制与试验，同时完成了卫星与运载、测控、地面支撑系统的对接试验和星地光路对准、量子密钥分发、量子纠缠分发、量子隐形传态四项地面验证专项试验，充分验证了光轴对准精度等关键指标，科学实验的功能与流程具备在轨开展科学实验任务的能力。
正样阶段，卫星系统以正样星生产与试验为主线，同时并行开展与其它系统接口对接试验；2015年11月至2016年5月，整星陆续通过了桌面集成测试、真空热试验、EMC试验、正弦振动试验、噪声试验、帆板展开与光照试验、精度复测、质量特性测试和磁测试等等正样环境试验，并通过了科学任务流程演练和整星老练，各项试验均满足要求。
此次项目的工程研制任务除了研制一颗量子科学实验卫星外，还需研制生产一发长征二号丁运载火箭，由航天科技集团第八研究院负责建造。对于预定轨道，火箭运载能力不小于650 kg；运载火箭整流罩内包络的尺寸大于1600 mm×1800 mm×1800 mm。
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