未来两年天地协同完成量子卫星多项科学实验

　　随着世界首颗量子通讯卫星“墨子号”顺利升空。未来两年，它将与5台地面站望远镜共同完成量子科学实验，构建天地一体化量子保密通信与科学实验体系。“地面望远镜是构建广域量子通信系统的重要组成部分，也是量子激光通信系统的核心组成部分。”地面望远镜系统技术总指挥黄永梅8月17日在接受《中国科学报》记者采访时表示，地面站的主要功能是发射信标光准确覆盖量子卫星，快速捕获并高精度跟踪星上信标，通过接收和发射信号光，建立并稳定维持通信链路。

　　此次参与量子科学实验的地面站望远镜中，有4台是中国科学院光电技术研究所（以下简称光电所）研制的，分布在我国新疆南山、青海德令哈、云南丽江和河北兴隆，承担着不同的科研任务。

　　南山与兴隆地面站望远镜负责完成密钥分发，南山与德令哈地面站望远镜负责完成量子双向纠缠，丽江地面站望远镜作为备份站点与德令哈共同完成量子双向纠缠，而南山和兴隆地面站望远镜还将与“墨子号”完成星地相干激光通信。

　　据地面望远镜系统软件分系统负责人贺东介绍，“墨子号”卫星升空后不会马上投入工作，将有几天的轨道调整期。其间，地面站的主要工作是保证良好的技术状态，等待“墨子号”状态具备之后才能够对量子卫星进行相应的量子科学实验任务。

　　“普通卫星只要顺利升空就意味着至少成功了一半，但对于量子卫星来说，发射升空仅仅只是开始，卫星在太空中与地面几个光学试验站的互动才是此次量子卫星实验的重头戏。”黄永梅指出，建立星地对准是演好这个重头戏的前提条件。“墨子号”为非同步卫星，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5分钟，每月经过地面站的次数不会超过20次，必须以“针尖对麦芒”的精度，实现星地间精准无缝对接。

　　望远镜要在短的时间内完成对量子卫星的快速捕获，捕获之后要实现持续、稳定的跟踪，在卫星过境的几百秒的时间内，把整个量子密钥完成接收。因此，量子科学实验对地面站设备精度要求非常高。

　　地面站会根据事先得到的过境轨迹，高精度指向卫星，发射一束直径不到5毫米的信标光，覆盖2000公里外的“墨子号”，完成对卫星的捕获。再通过发射上行信标激光照射卫星，高精度跟踪卫星光轴，实现对卫星的光轴对准。同时保持高精度的星地光轴动态对准，接收下行信号光数据进行量子通信和实验。

　　在实验中，卫星上发下来的光子会经过望远镜主镜传送到副镜。镜面接收到的光子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，进行科学数据处理。

　　目前，光电所研制的地面望远镜对准精度已达到1角秒，跟踪精度达0.2角秒。贺东对1角秒作了一个形象描述，就是将手表表盘刻度分为360度，再将其中1度分为3600份。据了解，望远镜突破了高动态范围高精度望远镜机架跟踪、宽光谱入射光高效率传输、量子纠缠和密钥光的高保偏接收等多项关键技术，成为国际上首台集量子通信、大视场天文观测、相干激光通信功能为一体的大口径望远镜系统。

　　黄永梅表示，根据“墨子号”的技术状态，可能会在1周后开展星地对接测试实验，实验完成后将开展星地量子密钥分发实验、星地量子纠缠实验、星地相干激光通信实验等。未来，望远镜具有的宽光谱、高光学效率、高光学精度等性能，使其也可作为天文望远镜完成大视场巡天任务。（记者 彭丽）