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量子科學實驗衛星

世界首颗量子科学实验卫星
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量子科學實驗衛星（英語：Quantum Experiments at Space Scale，縮寫：QUESS[3]），簡稱量子衛星，名為墨子號[4][5]，是世界首顆量子科學實驗衛星[6]，質量為631公斤，設計壽命2年[7]。量子衛星項目為中國科學院空間科學先導專項項目之一，也是是「十三五」的重點計劃之一，[8]由中科院國家空間科學中心總負責，於2011年12月立項[9]。維也納大學和奧地利科學院正在運行該衛星的歐洲接收站。[10][11]

量子科學實驗衛星「墨子號」
所屬組織中國科學院
主製造商中國科學院上海微小衛星工程中心[1]
任務類型量子科學實驗
入軌時間2016年8月16日1時51分29.789秒
發射時間2016年8月16日1時40分04.546秒
運載火箭長征二號丁運載火箭 遙三十二
發射地點酒泉衛星發射中心
任務時長兩年
COSPAR ID2016-051A
SATCAT no.41731在維基數據編輯
質量631公斤
軌道參數
軌道類型太陽同步軌道
傾角97.36°[2]
遠拱點584公里[2]
近拱點488公里[2]
週期94.6分鐘

2016年8月16日1時40分，衛星於酒泉衛星發射中心搭載長征二號丁運載火箭發射升空[12][13]，成為全球第一顆設計用於進行量子科學實驗的衛星[14][15]。這是一項概念驗證項目，旨在促進長距離的量子光學實驗，以允許開發量子加密和量子隱形傳態技術。[16][17][18]量子加密使用量子纏結原理，可以絕對檢測到是否有第三方在傳輸過程中截獲了消息。[19]

2017年6月16日，墨子號首先成功實現兩個量子纏結光子被分發到相距超過1200公里的距離後，仍可繼續保持其量子纏結的狀態[20]。2019年，墨子號整體實驗設計獲美國《科學》雜誌評選得克利夫蘭獎（英語：Newcomb Cleveland Prize）[21]。

命名

量子衛星命名為「墨子號」，是為了紀念中國戰國時期思想家、教育家、科學家，墨家學派的創始人墨子在物理學尤其是光學領域的突出成就，在他所著的《墨經》中歸納出「光學八條」。[22]其中包括兩千多年前，墨子進行了世界上最早的小孔成像實驗，最先發現了光沿直線傳播這一光學領域最重要的科學原理[23]，奠定了光通信的基礎。而且他也提出了「粒子論」的雛形，關於「端」的論述，指出「端」是不占有空間的，是物體不可再細分的最小單元。[4][24][25][26]

以科學先賢為科學衛星命名以彰顯研發國家的文化和科學成就，亦是國際慣例。[22]

背景

參見：量子密碼學和量子密鑰分發

量子密鑰分發基於量子纏結的原理，向通信雙方發送量子纏結態的光子。根據物理學理論，無論相距多遠，一對纏結量子只要其中一粒狀態產生變化，另外一粒亦會立即出現相應的轉變。[27]由於任何外界的測量都會改變量子纏結的形態，因而一旦密碼被竊聽，雙方都會獲知，而放棄此次通信。[28]

但是光纖本身存在損耗，而且會導致纏結品質下降；而近地面自由空間通信又受到天氣、障礙物和地面曲率的影響；因而廣域光量子傳輸轉向採用衛星中轉的方式。[29]中國在2012年成功實現了世界上最遠距離的量子態隱形傳輸——青海剛察湖兩岸長達97公里的自由空間量子信道[30]，亦於2013年成功完成國際上首次星地量子密鑰分發地基驗證試驗，克服衛星與地球之間的相對運動偏差及大氣層傳輸耗損[31][32]，證實了量子態隱形傳輸穿越大氣層的可行，為基於衛星中繼的全球化量子通信網奠定基礎。

任務及有效載荷

任務

 
 
合肥
 
興隆
 
南山
 
德令哈
 
麗江
 
阿里
 
維也納
地面站分佈
「量子密鑰分發實驗」：興隆與南山／興隆與維也納
「量子纏結分發實驗」：南山與德令哈／德令哈與麗江
「量子隱形傳態實驗」：阿里

量子科學實驗衛星在軌運行兩年期間將執行四項實驗任務以達成兩大科學目標：進行經由衛星中繼的「星地高速量子密鑰分發實驗」，並在此基礎上進行「廣域量子通信網絡實驗」，以期在空間量子通信實用化方面取得重大突破；及進行「星地雙向纏結分發實驗」與「空間尺度量子隱形傳態實驗」，開展空間尺度量子力學完備性檢驗的實驗研究，四項實驗皆為世界上首次開展[29][33][34][35]。衛星同時會透過高速相干雷射通信機開展與地面通信接收站之間的實時「星地雙向雷射通信技術演示試驗」，為第二代雷射通信設備，速率達5Gbps[36][37][38]。

為了執行這些任務，除了衛星和位於安徽合肥的量子科學實驗中心之外，地面上也建設了四個量子通信地面站（分別位於河北興隆、新疆烏魯木齊南山、青海德令哈、雲南麗江），以及位於西藏阿里的量子隱形傳態實驗站[1][39][24][7]。除此以外，奧地利科學院和維也納大學的科學家也與中國方面合作，在維也納和格拉茨設置了量子通信地面站[40][41][42]。

一旦中國國內的實驗結束，量子科學實驗衛星將嘗試在中國與奧地利維也納的量子光學和量子資訊研究所（英語：Institute for Quantum Optics and Quantum Information）（IQOQI）之間建立一個國際QKD信道 - 地面距離為7,500 km（4,700 mi） ，可能還有其他歐洲量子通信地面站[43][44]。

有效載荷

衛星上搭載的主要有效載荷有5個，分別是量子密鑰通信機、量子纏結發射機、量子纏結源、量子試驗控制與處理系統、高速相干雷射通信機[1][45][46][36]。

單個光子傳送距離逹500公里，為了實現同時瞄準兩個地面站進行光通信，衛星平台和有效載荷進行一體化設計，具備兩套獨立的有效載荷指向機構，通過姿控指向系統協同控制，實現時刻矯正位置、姿態，精確對準地面接收器，精度可以達到普通衛星的10倍，是此前世界上未曾達到的精細度[47][28][1][9]。

國家空間科學中心抓總負責量子衛星工程。上海微小衛星工程中心創新研究院是衛星系統的總體單位。上海技術物理研究所牽頭負責有效載荷，中國科學技術大學和上海光學精密機械研究所參與研製有效載荷分系統[12]。

工作原理

後續

如果這次量子衛星通信實驗順利完成，下一步將計劃研究「星間量子通信技術」等，發射更多量子通信衛星，在2020年建成亞洲與歐洲的洲際量子通信網絡，在2030年建成20顆衛星規模的全球量子通信網絡。[48][28][24]

科研貢獻

中國科學技術大學潘建偉教授及其同事彭承志、印娟等組成的研究團隊，聯合牛津大學Artur Ekert、中科院上海技術物理研究所王建宇等團隊，利用「墨子號」量子科學實驗衛星在國際上首次實現千公里級基於纏結的量子密鑰分發，堵塞了過去量子衛星作為中繼節點時的安全漏洞。該實驗通過物理原理，確保了即使在衛星被他方控制的極端情況下依然能實現安全的量子通信，取得了量子通信現實應用的重要突破，如同給千公里級安全量子加密通訊裝上「金鐘罩」。2020年6月15日，該研究成果以題為「基於纏結的千公里級安全量子加密(Entanglement-based secure quantum cryptography over 1,120 kilometres)」的研究論文在線發表在國際著名學術期刊《自然》雜誌。《自然》雜誌審稿人稱讚該工作」展示了一項開創性實驗的結果」和「這是朝向構建全球化量子密鑰分發網絡甚至量子網際網路的重要一步」，不依賴可信中繼的長距離纏結量子密鑰分發協議實驗的實現是一個里程碑」。[49][50]

戰略意義分析

項目的首席科學家潘建偉告訴路透社，指該項目在國防領域具有「巨大的前景」。[51]該衛星提供了北京與烏魯木齊之間的絕對安全通信。《華爾街日報》分析指出，此次發射使中國領先於競爭對手，並使他們更接近建構一個完全防止黑客的通訊方式。並指出該計劃應是受美國全球監控計劃所激勵而加快推動。美國在2013年被前CIA員工愛德華·斯諾登揭發，在全球範圍內祕密監聽多國領袖及重要人物，引起巨大的政治及安全爭議。因此為了隔絕被敵對國家監控，中國致力投入量子技術，墨子號衛星因此又稱其為「後斯諾登時代的衛星」。[52][53][54][55]

相關搭載

長征二號丁運載火箭是次「一箭三星」同時發射墨子號量子衛星、力星一號稀薄大氣科學實驗衛星及加泰隆尼亞理工大學設計研製的³Cat-2 6U立方體衛星。

  • 力星一號重110公斤，由中科院力學研究所與中科院上海微小衛星工程中心聯合研製，分離後降軌至100-150公里近地軌道，開展稀薄大氣環境探測等科學實驗，是迄今為止運行軌道最低、速度最快的人造地球衛星[56]。8月19日，完成任務再入大氣層。
  • ³Cat-2衛星重7公斤，它是³Cat系列的第二顆小衛星，攜帶了一個全球衛星導航系統反射載荷（GNSS-R）用於地球觀測，在量子衛星分離後33秒與運載火箭分離[57]。

參見

參考資料

引用

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來源

網頁

外部連結

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