[科普中國(guó)]-地面5臺(tái)望遠(yuǎn)鏡靜候與“墨子”親密互動(dòng)

未來(lái)兩年天地協(xié)同完成量子衛(wèi)星多項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)

隨著世界首顆量子通訊衛(wèi)星“墨子號(hào)”順利升空。未來(lái)兩年，它將與5臺(tái)地面站望遠(yuǎn)鏡共同完成量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建天地一體化量子保密通信與科學(xué)實(shí)驗(yàn)體系?！暗孛嫱h(yuǎn)鏡是構(gòu)建廣域量子通信系統(tǒng)的重要組成部分，也是量子激光通信系統(tǒng)的核心組成部分?！钡孛嫱h(yuǎn)鏡系統(tǒng)技術(shù)總指揮黃永梅8月17日在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者采訪時(shí)表示，地面站的主要功能是發(fā)射信標(biāo)光準(zhǔn)確覆蓋量子衛(wèi)星，快速捕獲并高精度跟蹤星上信標(biāo)，通過(guò)接收和發(fā)射信號(hào)光，建立并穩(wěn)定維持通信鏈路。

此次參與量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)的地面站望遠(yuǎn)鏡中，有4臺(tái)是中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所（以下簡(jiǎn)稱光電所）研制的，分布在我國(guó)新疆南山、青海德令哈、云南麗江和河北興隆，承擔(dān)著不同的科研任務(wù)。

南山與興隆地面站望遠(yuǎn)鏡負(fù)責(zé)完成密鑰分發(fā)，南山與德令哈地面站望遠(yuǎn)鏡負(fù)責(zé)完成量子雙向糾纏，麗江地面站望遠(yuǎn)鏡作為備份站點(diǎn)與德令哈共同完成量子雙向糾纏，而南山和興隆地面站望遠(yuǎn)鏡還將與“墨子號(hào)”完成星地相干激光通信。

據(jù)地面望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)軟件分系統(tǒng)負(fù)責(zé)人賀東介紹，“墨子號(hào)”衛(wèi)星升空后不會(huì)馬上投入工作，將有幾天的軌道調(diào)整期。其間，地面站的主要工作是保證良好的技術(shù)狀態(tài)，等待“墨子號(hào)”狀態(tài)具備之后才能夠?qū)α孔有l(wèi)星進(jìn)行相應(yīng)的量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)。

“普通衛(wèi)星只要順利升空就意味著至少成功了一半，但對(duì)于量子衛(wèi)星來(lái)說(shuō)，發(fā)射升空僅僅只是開始，衛(wèi)星在太空中與地面幾個(gè)光學(xué)試驗(yàn)站的互動(dòng)才是此次量子衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)的重頭戲?！秉S永梅指出，建立星地對(duì)準(zhǔn)是演好這個(gè)重頭戲的前提條件。“墨子號(hào)”為非同步衛(wèi)星，發(fā)射到500公里的軌道后以每秒7.9公里的速度劃過(guò)天際，經(jīng)過(guò)每個(gè)光學(xué)地面站的時(shí)間約5分鐘，每月經(jīng)過(guò)地面站的次數(shù)不會(huì)超過(guò)20次，必須以“針尖對(duì)麥芒”的精度，實(shí)現(xiàn)星地間精準(zhǔn)無(wú)縫對(duì)接。

望遠(yuǎn)鏡要在短的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)量子衛(wèi)星的快速捕獲，捕獲之后要實(shí)現(xiàn)持續(xù)、穩(wěn)定的跟蹤，在衛(wèi)星過(guò)境的幾百秒的時(shí)間內(nèi)，把整個(gè)量子密鑰完成接收。因此，量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)地面站設(shè)備精度要求非常高。

地面站會(huì)根據(jù)事先得到的過(guò)境軌跡，高精度指向衛(wèi)星，發(fā)射一束直徑不到5毫米的信標(biāo)光，覆蓋2000公里外的“墨子號(hào)”，完成對(duì)衛(wèi)星的捕獲。再通過(guò)發(fā)射上行信標(biāo)激光照射衛(wèi)星，高精度跟蹤衛(wèi)星光軸，實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星的光軸對(duì)準(zhǔn)。同時(shí)保持高精度的星地光軸動(dòng)態(tài)對(duì)準(zhǔn)，接收下行信號(hào)光數(shù)據(jù)進(jìn)行量子通信和實(shí)驗(yàn)。

在實(shí)驗(yàn)中，衛(wèi)星上發(fā)下來(lái)的光子會(huì)經(jīng)過(guò)望遠(yuǎn)鏡主鏡傳送到副鏡。鏡面接收到的光子被傳送到量子態(tài)光學(xué)分析終端，進(jìn)行量子態(tài)分析，之后通過(guò)光纖傳輸至信號(hào)處理系統(tǒng)，進(jìn)行科學(xué)數(shù)據(jù)處理。

目前，光電所研制的地面望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)精度已達(dá)到1角秒，跟蹤精度達(dá)0.2角秒。賀東對(duì)1角秒作了一個(gè)形象描述，就是將手表表盤刻度分為360度，再將其中1度分為3600份。據(jù)了解，望遠(yuǎn)鏡突破了高動(dòng)態(tài)范圍高精度望遠(yuǎn)鏡機(jī)架跟蹤、寬光譜入射光高效率傳輸、量子糾纏和密鑰光的高保偏接收等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，成為國(guó)際上首臺(tái)集量子通信、大視場(chǎng)天文觀測(cè)、相干激光通信功能為一體的大口徑望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)。

黃永梅表示，根據(jù)“墨子號(hào)”的技術(shù)狀態(tài)，可能會(huì)在1周后開展星地對(duì)接測(cè)試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)完成后將開展星地量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)、星地量子糾纏實(shí)驗(yàn)、星地相干激光通信實(shí)驗(yàn)等。未來(lái)，望遠(yuǎn)鏡具有的寬光譜、高光學(xué)效率、高光學(xué)精度等性能，使其也可作為天文望遠(yuǎn)鏡完成大視場(chǎng)巡天任務(wù)。（記者 彭麗）