新华社成都新媒体专电(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。

　　跨越上千公里的“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。

　　在短短几分钟内,飞速运转的卫星要和几千公里外的地面站“握手”,必须以“针尖对麦芒”的精度,实现星地间“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1/3600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,将其分别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,另一个的状态就已知了。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那种“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。

　　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。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,及伺服控制系统和操控系统,在国际上都属首次研制完成。