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量子“捕获者”与“墨子”隔空对话 激光当“电话线”

  8月16日凌晨1点40分,全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”成功发射。在我们仰望星空,畅想量子密钥分发、量子隐形传态等科学实验带来的无限未来时,不妨也俯瞰大地,认识一下与“墨子号”隔空“对话”的量子“捕获者”——我国自主研制的量子科学卫星地面望远镜系统。

  17日,科技日报记者走进地面望远镜研制方中国科学院光电技术研究所。

  在量子通信实验中,地面望远镜的任务包括:高精度指向卫星轨道完成捕获,即让地面发现卫星;发射上行信标激光照射卫星,即让卫星“看见”地面;及高精度跟踪卫星光轴、保持高精度星地光轴动态对准、准确接收下行信号光数据等。此次我国的量子科学实验卫星系统,由1个卫星通讯终端和5个地面望远镜终端组成,其中在河北兴隆、青海德令哈、云南丽江、新疆南山的4个口径1米以上的地面量子通信望远镜,均由中科院光电技术研究所负责研制。

  “‘墨子号’以7.9公里每秒的速度,在距离地球500公里的太空中运行,星地之间传输的量子又是能量最小的单位,地面望远镜系统要实现对卫星的探知、捕获并实现量子传输,如同‘针尖对麦芒’。”中科院光电所党委书记、地面望远镜系统行政总指挥杨虎表示,我国自主研制的量子科学卫星地面望远镜系统,在国际上首次完成了宽光谱、高效率、高保偏、高精度的望远镜光学系统和速度动态范围大、抗扰能力强的望远镜伺服控制系统,以及工作状态可配置的望远镜操控系统。其中,跟踪精度、指向精度和信号光高保偏等,均达到国际先进水平。

  “目前,地面站对准卫星的运行精度达到1角秒。”望远镜技术总指挥黄永梅解释说,如果将手表表盘刻度均分为360度,再将其中1度均分为3600份,其中一份就是1角秒。目前地面望远镜系统跟踪精度达0.2角秒,相当于在500公里以外,指一束激光到卫星上,其光束的晃动范围仅0.5米左右。

  在量子通信实验中,地面望远镜达到上述条件后,仅相当于接通了星地之间的“电话线”,要开展量子通信等实验即让“通话内容准确送达”,地面望远镜系统还面临高同轴度、宽光谱、高保偏等要求。

  望远镜系统光学总装中心主任古斌说,量子通信实验中,地面站与卫星间要不断发射或接收多束光路,同时用于量子密钥分发、纠缠实验或信标光等。为此,地面站必须保证每一束光路能够绝对平行地“整齐”指向卫星,即实现高同轴度。目前,这套自主研制望远镜系统同轴度已达到5个微弧度,即多路光束同时指向1000公里外的目标后,它们之间的距离偏差不超过5米。而“高保偏”是指量子光子由卫星分发后,望远镜保证光子的偏正态不会被改变;“宽光谱”则是望远镜能够识别量子光束、激光等不同光谱的多种光路。

  目前,该系统还在国际上首次实现了同一台望远镜同时完成量子通信、相干激光通信以及天文观测等多种任务。“‘墨子号’在轨期间,望远镜可同卫星通信终端联合开展星地量子通信实验、高速率相干激光通信实验。实验任务结束后,它还可作为天文望远镜对空间目标进行巡天观测。”黄永梅说。

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