墨子精神的传承——量子卫星诞生机

+ 演讲者：陈有梅（中科院微小卫星创新研究院 “墨子号”卫星结构主任设计师）

墨子不仅是一个思想家，军事家，还是一个科学家。战国初期，他和学生做了第一个小孔成像实验，奠定了光的直线传播理论，同时也是一个量子论的原型。

世界上首颗量子科学实验卫星“墨子号”在2016年8月16日发射升空，距离墨子的小孔成像实验跨越了2400多年。

我们之所以以“墨子”这位古代先贤的名字为卫星命名，也是对中国传统文化的一份自信与敬意。还有一方面的意义是赋予团队，以墨子的科学匠人精神打造世界上首颗量子卫星。

工程研制难度

2011年，量子卫星工程正式启动，经过五年的研制，于2016年发射并交付使用。

五年才研制出一颗卫星，真的有那么难吗？真的有，以一项关键技术为例——星地光路对准。

卫星与地面站建立高精度光链路，是开展量子通信实验的前提。卫星在轨道上以宇宙速度7.9km/s的速度飞行，而地面站随着地球的转动大概以0.46km/s的速度转动。要求卫星上的两束光同时对准地球上的两个地面站，就好比坐在高速飞行的飞机上，往地面上一个易拉罐大小的洞口里扔硬币，难度可想而知，完全是针尖对麦芒的精度要求。

图1：“墨子号”从星空向地面发出两道光，宛如两条长腿向前迈出一大步，这也象征着量子通信向实用领域迈出一大步。

但是工程团队做到了。图1左侧，是“墨子号”卫星与南山阿里地面站和兴隆地面站建立的光路连接。值得骄傲的是，最初设置的跟踪精度目标是3.6个微弧度，实际上在轨实现的精度是2.5个微弧度。

团队是怎么实现这个方案呢？我们首先让卫星飞到第一个地面站上空，通过卫星的姿态调整初步对准和跟踪地面站，再通过卫星上的一台载荷设备来精确对准，然后通过卫星上第二台能够大范围机动的载荷设备实现第二个地面站的对准跟踪，在国际上我们也是首次实现了卫星上两台设备，同时对准两个地面站，最终实现2.5个微弧度的对准精度。

“墨子号”卫星成功发射后：

· 卫星发射成功入选了《环球科学》的十大新闻，以及中国的十大科技进展。

· 华尔街日报发表《沉寂了一千年，中国誓回发明创新之颠》的专题报道。

· 2017年习总书记的新年贺词中提到了“墨子号”飞向太空。

此外还有光子的偏振态的星地传输及检测等关键技术，也是难度极大的科学与工程实践的双重挑战。以潘建伟为首的科学家团队与微小卫星创新研究院的卫星工程团队，用三年时间对三大关键技术进行攻关，为后续“墨子号”完成三大科学任务铸造了坚实的阶梯。

只要你敢想，我们就敢做！

“（这项成果）兼具潜在现实应用和基础科学研究重要性的重大技术突破”。

——《Science》杂志审稿人

“‘墨子号’开启了全球量子通信空间量子物理技术的大门，抢占了量子科学创新的一个制高点，成为国际同行的一个标杆，实现成为领跑者的一个转变。”

——中国科学院院长白崇礼

“虽然第一艘宇宙飞船和第一颗人造卫星是苏联做出来的，但是第一个登月的却是美国。同样在量子通信领域，只要我们努力肯定也能超过中国。”

——美国同行

“墨子号”圆满完成三大科学任务

任务一：量子纠缠分发。

2017年的6月，“墨子号”卫星将纠缠光子分别发到德令哈和丽江，这两个地面站相聚1200公里，此后地面站进行了贝尔测量，验证了其纠缠效应和贝尔不等式，标志着第一大科学任务“量子纠缠分发”的完成。相关结果在《Science》杂志上以封面的形式发表，轰动全球科学界。

任务二：星地量子密钥分发。

任务三：地星量子隐形传态。

2017年8月，研究团队在国际上首次成功实现星地量子密钥分发和地星量子隐形传态。星地高速量子密钥分发——卫星发射量子信号，地面接收，即“下行链路”。地星量子隐形传态——地面发射纠缠光子、卫星在天上接收，即“上行”链路。这两项任务在实际应用中互为补充，共同构成了量子通信的两个方面。

值得一提的是，由于外太空几乎真空因而光信号损耗非常小，在1200公里通信距离上，星地量子密钥的传输效率比同等距离地面光纤信道高20个数量级（万亿亿倍）。

两项成果于8月10日同时在线发表在国际权威学术期刊《自然》杂志上。“墨子号”卫星三大科学任务完成，在国际上再次引起轰动。

下一步构想

为实现全球保密通信，科研团队计划建立一个微纳量子卫星星座。组网所用的微纳量子卫星重量只有130公斤，与重630公斤“墨子号”相比，单星成本控制在千万量级，能够极大地降低组网成本。此外，“墨子号”不能实现一个密钥分发实验的多次进行或者全年的密集分发，而微纳量子卫星可以进行每年5000次的密钥分发，而且是直接成码发射。微纳量子卫星星座的目标是拓展量子密钥通信应用场景，实现全球化的量子保密通信，建立信息一体的量子通信网络。

微纳卫星的摇篮

我在微小卫星创新研究院工作的十一年来，参与了多颗微纳卫星的研制工作。有神舟七号飞船伴星、天宫二号空间实验室伴星、稀薄大气科学实验卫星、宽幅高光谱微纳卫星双星……

而正在研制中的微纳卫星，除了量子星座外还包括：能够让普通人用手机控制卫星的软件定义星；计划今年10月份发射的centispace全球导航增强系统，这是一个低成本的，高性能的微纳平台，能够实现高精度定轨、星间通信、大功率的能源获取、双组元高比冲推进模块等，并计划建立120颗的低轨全球导航星基增强星座；探寻引力波的GECAM卫星等。

未来的卫星将是什么样子？我们想说：只要你敢想，我们就敢做！