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【前沿】工程师眼中的量子科学目标

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  近年来量子通信这项新兴技术越来越受到人们的关注,2016年8月16日,我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将世界首颗量子科学实验卫星(简称“量子卫星”)发射升空。那么这次发射的量子科学实验卫星又能为大热的量子通信技术带来哪些发展和进步呢?

  量子卫星工程由中国科学院国家空间科学中心抓总负责。中国科学技术大学负责科学目标的提出和科学应用系统的研制;中国科学院上海微小卫星创新研究院(上海微小卫星工程中心)抓总研制卫星系统,中国科学院上海技术物理研究所联合中国科学技术大学研制有效载荷分系统;中国科学院国家空间科学中心牵头负责地面支撑系统研制、建设和运行,对地观测与数字地球科学中心等单位参加。中国科学技术大学提出的科学目标主要有以下2方面:

  第一就是将在世界上首次实现星地间高速量子密钥的分发实验,并在此基础上组件广域量子通信网络,为今后量子通信的实用化做准备。

  那么我们先来了解下什么是量子秘钥。

  量子密钥是量子通信中的关键要素,它由具有量子态的物质作为密码,有意思的是这个密码连量子通信的发起者和接收者都不知道,因为它是随时改变的!而且这个密码如果被人监听或者截获就会自动解除量子态,成为无效的信息,合法的接收者通过量子态的变化还会发现这段信息被人监听或者截获,可以看出,量子通信是一种绝佳的保密通信方式,可广泛应用于国家安全、国防建设、网络安全、商业机密等方面。

  量子密钥传输实验在陆地上已经不是稀奇的事了,由中科院院士潘建伟带领的团队在过去的几年中不断的突破传输距离的极限,但是受制于量子密钥的传输需要光作为载体,而光很任性,不会因为地表的弯曲而弯曲,所以在地表的传输距离是有极限值的,于是我们聪明的科学家就想到了宇宙,空间尺度的宽广完全满足了科学家们的需求!于是量子星的第一个科学目标就诞生了,要在世界上第一次实现宇宙空间到地球表面的量子密钥的传输实验!测试不同距离下传输的稳定性。

  值得注意的是,这次的试验是量子密钥分发实验,所谓的分发是指要同时对多处的地面设备进行通信验证,这也是为量子通信技术未来的组网实用化打基础,为了组件这个网络,我们的工程师和科学家在祖国的大地上选取了若干地点建设了地面通信站,主要的包括兴隆、南山、德令哈量子、云南丽江通信地面站。待卫星开机后将择机实施上千公里的量子通信实验。一旦量子通信的安全性和高效性得到了验证,那么就可以从根本上解决国防、金融、政务、商业等领域的信息安全问题,组网成功的同时,量子通信技术离我们普通百姓的距离也将越来越近,相信不久的将来量子通信将大放异彩,将来我们普通百姓也可以用量子通信来打电话和上网下载等活动(那网速肯定杠杠滴)。

  第二就是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。

  在以往的地面试验中多次发现,大气的污染程度严重影响着量子通信的稳定性,传输实验中的误码率经常达不到实用的要求,为此科研团队成员不得不深入大气洁净度优异的青海湖地区去做实验,在量子卫星发射后,这个问题将得到有效的解决,宇宙空间环境的洁净度要远高于地表,我们的科学家可以排除干扰愉快的做实验了。

  于是这次任务的第二个科学目标就生成了,就是在空间尺度进行量子纠缠分发和量子隐形传态实验,这两项实验的科学意义非常深远,必将对量子力学的发展产生深远的意义,欧洲曾经也有一颗量子卫星的计划,可惜到现在都没有进展,我们这颗卫星上天后可以极大的填补国际上对于空间尺度下量子力学研究的空白,可以为量子力学的完备性提供重要的科学依据,从而为推动量子力学的发展做出我们中国人的贡献。

  最后再来跟大家分享下卫星的科学目标背后的有趣故事。

  每一颗科学卫星上天前都被安排了独特的科学实验任务,称之为科学目标。科学目标的形成的背后还有很多曲折往事,话说在刚开始论证阶段,每颗科学卫星的首席科学家都恨不得把自己的整个实验室发射上天(这样才好做实验嘛)现实却是…受制于火箭推力、卫星体积、载荷重量、安全等因素,我们的科学卫星往往只能满足科学家们部分空间实验需求。

  于是乎,在卫星论证阶段如何把科学目标最大限度的转换成工程目标的博弈就此展开,科学家们往往为多放一个设备或者多放一公斤的设备跟工程师们‘深入切磋’,工程师们不得不在国家科学发展和工程实现难度之间进行取舍,作为一名工程师,每每想起论证阶段的往事,满满的全是辛酸,所以我们科学目标的确认都是经过‘精心挑选’,承载着工程师们和科学家的‘巨大付出’和‘牺牲’才得来的。

  现在量子科学实验卫星已成功发射,让我们共同期待它的表现吧。

  是量子卫星工程办的一名普通职工,五年相守,陪伴量子走过漫漫时光。在它飞上天空的那一个不眠之夜,感动了无数并肩奋战的科研工作人员,也同时温暖了她的心。让我们一起分享她和它的故事:

五年前

你立于纸上

我初来乍到

 

五年里

你看着我怀孕生娃当妈

我看着你立项出厂飞天

 

对你来说

我似乎连螺丝钉都算不上

而你确是我这些年里最值得说的成绩

就像我的小孩一般

 

双流程管理

分阶段实施

都是你教我的

就像我的老师一般

 

生活就像量子

充满各种不确定

回过头再看来时的路

那么笃定和坚守

一切又都是最好的安排

 

当大地开始颤抖

火光映红夜空

我知道

你要上路了

带着探索的激情和信念

我的生活还会继续

不知道下一次会遇见谁

只有你给我的历练永存

 

谢谢你

祝福你

不忘你

——刘佳

发布时间:2016年08月30日 14:44 来源:共产党员 编辑:李霞 打印