新华社成都8月17日新媒体专电（记者吴晓颖）16日凌晨，由我国自主研制的世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”顺利发射升空。在为期两年的“太空旅程”中，它与地面“四站一平台”的互动，才是此次实验的重头戏。这一实验将进一步验证量子引力等基本理论的可行性，解密被爱因斯坦称为“幽灵般的超距作用”在空间大范围是否存在，并为我国建立天地一体化的量子通信网络探路。
跨越上千公里的星地对接“握手”
青海德令哈站是4个量子通信地面站之一。在该地面站有一架1.2米口径、重10多吨的望远镜。
中国科学院光电技术研究所研究员、地面望远镜系统技术总指挥黄永梅介绍说，望远镜的主要功能是快速捕获并高精度跟踪星上信标，发射信标光准确覆盖量子卫星，通过接收和发射信号光建立并稳定维持通信链路。
别小看星地光路对准，它是保证量子通信的前提，也是此次实验的难点之一。当卫星发射到500公里的轨道后，以每秒7.9公里的速度划过天际，经过每个光学地面站的时间约为五分钟。这样的过境，也不是每天都会有的。因不是同步卫星，这颗卫星以椭圆形轨道绕地球飞行。经科学家测算，每个月量子卫星经过每个实验站的次数不超过20次，这就意味着实验的次数不超过20次。
在这短短的几分钟内，飞速运转的卫星要和几千公里外的地面站实现“握手”，必须以“针尖对麦芒”的精度，实现星地之间“严丝合缝”对准。
“地面站望远镜根据事先得到的过境轨迹，高精度指向卫星，从地面站发射一束直径不到5毫米的信标光，要准确覆盖近2000公里远的量子卫星。”中国科学院光电技术研究所副研究员贺东告诉记者，量子卫星接收到信标光后，会立即反馈一束信标光给地面站，望远镜要对这束信标光快速捕获、跟踪，光路对接任务就算完成。
小于3600分之一度的对准精度
在量子卫星和过境地面试验站间互相瞄准“锁定”，建立通信链路后，就可以进行既定的各种实验了。根据计划，“墨子号” 在两年的设计寿命期间 ，将与“四站一平台”一起，在星地之间进行量子密钥分发、量子纠缠分发、量子隐形传态等实验。这样的尝试，在全世界都是首次。
此前，国内外对量子理论和其预示的各种奇异现象的检验实验，主要停留在实验室或地面范围。而我国将对这些现象在上千公里的空间大范围进行验证。德令哈站就承担着量子纠缠分发的实验任务。卫星制造出一对纠缠光子，分别把它们发送到云南丽江站和德令哈站。根据原理，只要测量其中一个光子，另外一个光子的状态就已知了。实验人员将分别对这两个光子进行测量，从而验证爱因斯坦所说的这种“幽灵般的超距作用”是否存在。
这些实验，均是以单光子级的形式进行。望远镜如何及时、准确捕获、探测光子？贺东介绍说，望远镜显示操控台上显示的表盘一周是360度，实现的对准精度是360度当中的1度。再把1度细分成3600份，以小于3600分之一度的对准精度高速转动，对准通讯卫星。
在实验中，卫星上发下来的光子经镜面接收后，被传送到量子态光学分析终端进行量子态分析，之后通过光纤传输至信号处理系统进行科学数据记录。整个过程通过综控系统实现完全自动化运行。
实现多项技术突破
由于量子实验很复杂，对实验设备要求之高异乎寻常。科研人员对追踪量子卫星的“重量级武器”——望远镜进行一系列创新设计，攻克了许多技术难题。
黄永梅告诉记者，研发的望远镜可以同时完成量子通信、相干激光通信实验任务、天文观测任务，这对望远镜的光学设计、机架的加工装配、高精度跟踪控制等都提出了很高要求。
通过实验，最终实现望远镜光学加工装配的镜面面形误差在60个纳米以内，轴系晃动误差在1个角秒以内，高带宽的复合轴伺服控制系统，保证了望远镜的跟瞄精度小于3600分之一度，对500公里外的卫星光轴对准偏差不超过1米。这种宽光谱、高效率、高保偏、高精度的望远镜光学系统，以及伺服控制系统和操控系统，在国际上都属首次研制完成。
来源：新华社2016-08-17
