量子卫星天地对接 离不开“成都造”望远镜

发布时间:2016-08-18 08:46:58  来源:成都商报
编辑:卢丽嘉  

17日,中科院成都分院光电所科研团队演示量子激光通信望远镜连接原理 摄影记者 陶轲

  此刻,世界上第一颗量子科学实验卫星“墨子号”,正以每秒7.5公里的速度绕地球飞行。几天内,它将与4个量子通信地面站望远镜“握手”,构建天地一体化的量子保密通信与实验体系,进而实现人类史上首次星地间的量子通信。如果实验顺利,无法被拦截、被窃听、被复制,“绝对安全”的量子通信或将加速走进我们的生活。

  在成都,中科院成都分院光电所的科研团队,用两年时间攻克了关键技术。依靠这些技术,4个量子通信地面站将与“墨子号”实现天地对接。4个重达十余吨、科技水平国际领先的量子激光通信望远镜,从设计、研发到制造,全部在成都完成,是不折不扣的“成都造”。

  成都造望远镜将精准连接“墨子号”

  “我们一共有4个量子通信地面站,分别位于乌鲁木齐南山、青海德令哈、云南丽江和北京兴隆。”接受采访时,中科院光电所研究员、地面望远镜系统技术总指挥黄永梅从酒泉卫星发射中心回到成都还不到12小时。近期,她就将带队前往位于南山、德令哈的量子通信地面站,参与量子科学实验卫星的星地对接实验。

  “墨子号”肩负着星地高速量子密钥分发实验、广域量子通信网络实验等任务。这些任务都必须依靠光电所研制的量子通信激光望远镜来精准连接“墨子号”,并接收从卫星上发射下来的光子。

  光电所地面望远镜系统软件分系统负责人贺东说,当“墨子号”出现在地面站望远镜所在位置的地平线上时,望远镜就开始对2000公里外的卫星进行跟踪,望远镜先向卫星发射一束激光,卫星感应到之后会向望远镜发回一束激光。“在卫星高速掠过的几分钟内,实现两束光轴的精准‘握手’,建立星地光路对准。”在此基础上,望远镜的大镜头就可以接收光子,光子进入到量子终端之后,就能进行量子通信实验。

  贺东透露,卫星在轨之后,需要几天来进行轨道调整。预计三四天后将首次尝试和卫星建立联系。此外,量子通信实验需要在夜间,需要合适的气象条件,且卫星恰好从地面站上空飞过的时候才能进行。

  在黄永梅看来,使用量子密钥实现保密通信,是最有可能实用化的领域。

  “这次我们有3个站要做量子密钥实验。”她举例说,实验将通过卫星实现信号在相距2000多公里的南山和兴隆之间的传输,再通过光纤网络,传输到北京和乌鲁木齐。“墨子号”未来还可能同欧洲的地面站对接,实现量子保密通信。“如果实验成功,我相信量子保密通信的实用化进程就会很快了。”

  握手准

  距离500公里

  晃动不超50厘米

  负责量子通信地面站望远镜项目的成都团队由20多位科研人员组成,由黄永梅、亓波两位研究员带队,大多数科研人员是80后。他们历时两年多,破解了星地连接的种种难题。

  “墨子号”进入轨道后,以90分钟绕地球一周的速度高速飞行。尽管4个地面站分布在我国版图上的东西南北,但卫星掠过所有地面站也就是十来分钟。要准确地与卫星对接,并保持这种精准对接状态,是个不小的难题。

  “望远镜的对准精度大约是一个角秒,相当于把1度角分为3600份的度数。”他把地面望远镜比喻为一个电筒,电筒的光射向最远距离约2000公里最近距离约数百公里的“墨子号”并跟踪它移动。“移动中光斑的晃动,在卫星距离500公里的情况下,不会超过50厘米。”

  精度高

  机械部件精度

  相当于头发丝1/30

  据悉,量子通信激光望远镜高约3米,跨度约2.5米,每台价值都为千万级别。

  在位于西航港的光电所,成都商报记者进入生产车间,工作人员指着一块直径约30厘米的镜片说,为保证镜片在光学实验中的可靠性,生产出来后,工作人员会在仪器上把它放大到成都市的面积那么大,再以毫米级别的精度进行测量。

  在精密仪器制造中心,工艺主管钱静告诉成都商报记者,望远镜与卫星要实现针尖对麦芒式的对准,机械结构的精度是整个望远镜精度的支撑。

  在这个中心,机械生产平面度的精度达0.003毫米,相当于发丝的1/30。而望远镜约有三四百个机械部件,全部生产完毕耗时两年多,“最大的一个望远镜,轴承环直径2.2米,仅研磨就花了半个月。”

  成都商报记者 谢佳君

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