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協作并進 以國家實力托舉量子科學夢
| 16-08-16| 訪問次數: | 【 【打印】【關閉】

  816日,我國首顆量子科學實驗衛星發射升空。衛星順利進入預定軌道,發射任務取得圓滿成功。這顆被命名為墨子的衛星,肩負著建立星地間量子科學實驗平臺,開展多項大尺度量子科學實驗的重任,并將見證我國成為世界上第一個實現星地間量子通信的國家。 

  量子衛星的載荷分系統是實現此次科學實驗任務的核心。中國科學院上海技術物理研究所(下稱技物所)作為載荷總體責任單位,與中國科學技術大學(下稱中科大)、中國科學院上海光學精密機械研究所(下稱上光所)共同完成載荷單機的研制。本項工程由中國科學院國家空間科學中心抓總負責,上海微小衛星工程中心負責衛星平臺研制。衛星上天后,將陸續按計劃開展高速量子密鑰分發、廣域量子通信網絡、星地量子糾纏分發以及地星量子隱形傳態等多項科學實驗任務。 

發射現場圖

  瞄準國際前沿 提前籌謀 

  量子通信利用量子力學基本原理、量子系統特有屬性以及量子測量方法來實現信息傳遞,是國際上量子物理和信息科學的研究熱點。中國科學院關于量子通信的前瞻布局始于2007年。中國科學院知識創新工程重大項目“空間尺度量子實驗關鍵技術研究與驗證試驗”整合了院內科學研究和系統研發的優勢力量,集中開展星地量子通信關鍵技術攻關。以中科大潘建偉院士為首的科學家團隊負責實驗的基礎理論研究與攻關;技物所以其在空間激光主動探測、空間運動部件研制與控制等技術優勢,在王建宇研究員的領導下負責空間載荷的工程化攻關,參加單位還包括上海微小衛星工程中心和上光所等。研究團隊成功完成了量子通信系統和量子存儲、星地捕獲對準跟蹤(APT)系統及光機系統、衛星平臺的兩維姿態機動和控制等關鍵技術攻關,并在青海湖地區實現了基于浮空運動平臺的量子密鑰分發以及百公里量級量子力學非定域性檢驗,為星地量子實驗總體方案制定、工程產品研制等打下堅實技術基礎。2011年,量子科學實驗衛星工程正式立項,成為中國科學院先導計劃五顆科學實驗衛星之一。 

地面實驗示意圖

  優勢互補 完成協同攻關  

  量子衛星上搭載的4個有效載荷,由技物所牽頭研制量子密鑰通信機和量子糾纏發射機,中科大牽頭研制量子糾纏源、量子實驗控制與處理機。近10年,走通天地量子科學實驗之路并非易事??臻g量子實驗設備的研制要求極高,衛星與地面站的微弧度高精度跟瞄,高保偏量子信號偏振調制,近衍射極限量子光發射,高精密量子糾纏光源的航天工程化等一個個載荷工程研發最難最核心的技術問題都成為了攔路虎。 

  技物所工程研發團隊與中科大科學家團隊,取長補短,優勢互補?!翱茖W家們發揚孜孜不倦理論探求精神,“工程師們充分發揚嚴慎細實的航天研發精神,穩扎穩打。針對這些技術難題,團隊按照專項技術攻關來處理,從一開始進行技術可行性論證,然后設計攻關方案,根據攻關方案開展理論分析、實驗驗證、重復迭代等,最后對關鍵技術進行總結。研究團隊從無到有,一方面吸收采納國內外的相關先進成果,另一方面開展一系列的自主研究,在相關關鍵技術上取得了國際領先的成果。以高保偏量子信號偏振調試為例,上海技物所以其鍍膜專業室的優勢,在鍍膜工藝上進行大膽突破,實現上萬比一的分色片鍍膜,同時采取相位延遲互補、殘差補償、小角度入射等多個設計手段,成功將整機偏振提高到3001以上。在日復一日的合作中,科學家”們學會了工程管理的一套規章制度,做事有依據有規程,“工程師們在實踐中歷練提高了理論分析能力,從科學的視角和方法對待發生的技術難題。在載荷研制單位的協同創新下,團隊自主研制了高速誘騙態量子密鑰分發光源和輕便的收發整機,自主發展了高精度的跟瞄、高精度同步和高衰減鏈路下的高信噪比及低誤碼率單光子探測等關鍵技術,為實現星地量子通信打下了堅實技術基礎。

團隊在發射基地

有效載荷科學任務專項試驗

有效載荷熱光試驗

  立足上海 面向量子科技未來 

  天地一體化量子通信技術將不僅是我國保密通信領域“殺手锏”技術研發的重大突破,更是我國空間光電技術實現從跟隨創新到引領創新、從集成創新到原始創新的跨越。據公開資料顯示,上海市科委自2003年以來,已累計投入近1.2億元支持量子方向相關項目。技物所2008年獲得上海市基礎重大科研項目支持的“空間尺度量子實驗關鍵技術”項目,圍繞空間尺度量子實驗的最終目標,從空間量子信道理論和單光子偏振探測兩個方面開展基礎研究。在空間尺度單光子與光學介質相互作用和傳輸信道理論、InGaAs-APD單光子探測系統、單光子偏振態控制與檢測技術、超導SNSPD單光子探測器件與系統、硅-雪崩光電二極管單光子探測系統等方面取得了一系列突破與自主知識產權。不僅為量子科學實驗衛星打下堅實技術基礎,也為量子通信的后續發展作了較好的技術鋪墊。 

  目前,上海已將“量子通信”列入科創中心“22條”意見的重大戰略項目,并在“十三五”科技創新規劃中將“量子材料與量子通信”作為重要戰略方向進行部署。技物所“光電聯合調控的量子操控材料與器件研究項目已獲得上海市科委重大專項支持??梢灶A見,技物所將在量子科學的探索道路上,發揮其系統集成與器件研發雙輪驅動優勢,更好地走實創新之路。

評 論
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