“墨子號”是這樣煉成的

當大多數人仍致力于實驗室內部的原理性演示時，潘建偉團隊已經開始思考如何能夠在太空中實現量子信息傳輸

2011年，中國科學院論證并啟動了空間科學先導專項，2011年年底，量子科學實驗衛星項目正式立項。這既意味著中國科學家向完全自主研發世界首顆量子科學實驗衛星發起挑戰，更意味著中國或將先于歐美擁有量子通信覆蓋全球的能力。

十年歷程，鑄劍五載。雖然立項于2011年，但若從前期技術儲備就開始算起，這條路中國足足走了十多年之久。

十年積淀

量子通信和量子計算研究興起后，世界各地的物理學家都紛紛開始構思可擴展量子信息處理網絡的實現。在量子通信領域，當大多數人仍致力于實驗室內部的原理性演示時，中國科學技術大學潘建偉團隊已經開始思考如何能夠在太空中實現量子信息傳輸，并早在2003年就初步構建了量子科學實驗衛星計劃。

在這一背景下，2005年，潘建偉團隊實現了13公里自由空間量子糾纏和密鑰分發實驗，證實光子穿透大氣層后，其量子態能夠有效保持，從而驗證了星地量子通信的可行性。在星地自由空間量子通信重大突破的跡象出現后，中科院高瞻遠矚，適時超常規啟動了兩個知識創新工程重大項目——“遠距離量子通信實驗研究”和“空間尺度量子實驗關鍵技術與驗證”。

在創新工程重大項目的支持下，潘建偉團隊實現了16公里自由空間量子隱形傳態，并與中國科學院上海技術物理研究所、上海微小衛星工程中心、中國科學院光電技術研究所等研究機構強強聯手，發展了一系列自由空間量子通信的關鍵技術，先后實現了百公里級自由空間量子通信、星地量子通信的全方位地面驗證等重要實驗，為實現星地量子通信奠定了堅實的科學與技術基礎。

至此，星地量子通信的可行性已經得到充分驗證。此時，中科院果斷決策啟動量子科學實驗衛星工程立項論證，并將其列為空間科學先導專項的內容。

工程總體與六大系統

量子科學實驗衛星的科學目標是開展星地高速量子密鑰分發實驗，并在此基礎上進行廣域量子密鑰網絡實驗，以期在空間量子通信實用化方面取得重大突破；在空間尺度進行量子糾纏分發和量子隱形傳態實驗，開展空間尺度量子力學完備性檢驗的實驗研究。

對于科學衛星來說，有效載荷的配置尤為重要，直接關系到能否將科學指標轉化為工程指標，并實現科學目標。

為了滿足量子科學實驗衛星的科學目標要求，工程對有效載荷配置和指標要求進行了綜合分析和論證，邀請領域專家進行討論和評定，經過兩次科學目標和有效載荷配置評審后，才最終確定了星上載荷配置。

之后，工程各系統根據衛星可行性方案開展了系統可行性論證，完成并通過了立項綜合論證，進而明確了工程研制任務：研制一顆量子科學實驗衛星，研制生產一發長征二號丁運載火箭，在酒泉衛星發射中心將衛星發射至高度為500公里的預定軌道。同時建設以4個量子通信地面站和1個空間量子隱形傳態實驗站為核心的天地一體化量子科學實驗系統。

隨后，借鑒以往衛星工程管理經驗，同時也根據量子科學實驗衛星的特點和實際需求，設置了工程總體和六大系統，包括衛星系統、運載火箭系統、發射場系統、測控系統、地面支撐系統和科學應用系統。

工程總體負責制定工程研制計劃，編制工程頂層文件，組織工程重大活動，協調系統間問題，同時對工程整個研制過程進行監督和管理。

六大系統分工明確：衛星系統主要負責衛星平臺和有效載荷的研發，載荷包括量子密鑰通信機、量子糾纏發射機、量子糾纏源和量子實驗控制與處理機；運載火箭系統主要負責運載火箭的研制和生產；發射場系統選擇酒泉衛星發射中心作為量子科學實驗衛星的發射場，主要承擔運載火箭和量子科學實驗衛星的測試、發射任務，并提供地面技術支持與勤務保障；測控系統負責對運載火箭主動段提供測控支持，對衛星平臺實施測控及長期運行管理，支持開展科學實驗，向地面支撐系統傳輸原始遙測數據，接收地面支撐系統傳送的科學實驗數據并完成數據的上行發送和下行接收；地面支撐系統負責提供實驗任務運行控制管理、數據接收、預處理、管理和歸檔等公用性支撐服務，是連接科學應用系統和測控系統的紐帶，任務要求包括實驗數據接收、實驗任務運控管理、數據預處理與歸檔管理和地面通信網絡支持等；科學應用系統負責整個量子科學實驗衛星工程科學實驗計劃的制訂、科學實驗的實施、科學數據和應用的處理傳輸存儲管理與發布，其系統配置為：1個中心——合肥量子科學實驗中心，4個站——南山、德令哈、興隆、麗江量子通信地面站，1個平臺——阿里量子隱形傳態實驗平臺。

關鍵技術

作為我國自主研發的星地量子通信設備，量子科學實驗衛星突破了一系列高精尖技術，既包括“針尖對麥芒”的星地光路對準、偏振態保持與星地基矢校正、量子糾纏源等工程級關鍵技術，也包括與有效載荷相關的多項先進技術。

量子科學實驗衛星需要在兩年的設計壽命中完成四大任務：星地高速量子密鑰分發實驗、廣域量子通信網絡實驗、星地量子糾纏分發實驗和地星量子隱形傳態實驗。這些實驗將通過我國自主研發的星地量子通信設備完成，它能夠產生經過編碼的、甚至是糾纏的光子并發射到地面上，與之對接的地面系統則負責“接收光子”，這種光子的發射與接收被稱為“針尖對麥芒”。

這并不是一件容易的事情。量子科學實驗衛星十分復雜，在它飛行的過程中，攜帶的兩個激光器要分別瞄準兩個地面站，向左向右同時傳輸量子密鑰。這就要求在飛行的過程中必須始終保證精確對準，跟蹤要達到相當高的精度，這也是國際上從來沒有人做過的。

“激光器一站對一站的有人做過，但是一顆衛星對準兩個地面站的從來沒有過，而且還要保證對得準確……如果能夠做到的話，在國際上也是第一次做這么高精度的跟蹤和地面站配合?！敝袊茖W院國家空間科學中心主任、空間科學先導專項科學衛星工程常務副總指揮吳季說。

為了讓穿越大氣層后光子的“針尖”仍能對上接收站的“麥芒”，量子科學實驗衛星工程常務副總師兼衛星總指揮、中科院上海技術物理所王建宇研究員帶領團隊，與潘建偉團隊一道，從2012年起就開始進行各種實驗——如收發距離40公里的轉臺實驗，與衛星繞地運行的角速度一致；又如30公里距離的車載高速運動實驗，考驗超遠距離“移動瞄靶”能力；再如熱氣球浮空平臺，在空地環境下模擬量子密鑰分發……

此外，單顆衛星的量子通信還只是最簡單的點對點的信息傳遞。加上白天強烈的日光背景，目前的星地量子通信還只能在夜間進行，這就進一步限制了星地量子通信的效率。由于量子科學實驗衛星的在軌設計壽命僅為兩年，因此任務十分緊迫。除了星地光路對準，星地鏈路偏振態保持與基矢校正也是另一個技術難點。為了突破這一瓶頸，研究人員首先通過載荷模樣機研制，驗證偏振性能，確定分色片等關鍵部件的技術狀態；再進行地面站偏振保持方案原理驗證，確定復核基矢校正計算算法；然后確定基矢測量受外界條件影響方式以及搭建地面站模擬終端進行載荷樣機與地面站模擬終端聯合試驗等方式和渠道，終于明確了偏振態保持和基矢校正關鍵技術的實現方案和技術狀態，并有效驗證了關鍵技術的各項技術指標，確認其能夠滿足科學目標的需求。

量子科學實驗衛星的科學目標之一是量子糾纏分發實驗，在軌需要在星上制備高亮度糾纏光源，并將產生的糾纏光子對通過量子密鑰通信機和量子糾纏發射機同時向兩個地面站發射。

量子糾纏源的航天工程化也是量子科學實驗衛星的一項關鍵技術。研究人員從糾纏源亮度、對比度、中心波長和光學接口指標幾個方面著手，細化工程化指標，提煉出窄線寬泵浦激光器的空間適應性、高精度Sagnac干涉儀穩定性以及空間光纖極化控制三大技術難點，通過模樣機的研制以及單模、保偏兩種光纖極化控制方案的并行攻關，最終明確了量子糾纏源及光接口的技術狀態，設計保證了關鍵技術的各項技術指標，且具有較大的裕度，滿足科學任務的需求。

此次，量子科學實驗衛星將包含4個有效載荷，分別是量子密鑰通信機、量子糾纏發射機、量子糾纏源、量子實驗控制與處理機。而針對這4個載荷的技術攻關，也耗費了科學家和工程技術人員的大量時間和心血。在高質量量子光束及低損耗鏈路技術方面，科學家們開展了近衍射極限量子光發射技術研究，理論分析了光纖出射光經過準直鏡發射遠場分布。分析表明，通過增大出射口徑、提高光學質量等手段可優化發散角。

于是，技術人員選擇采用一定口徑和焦距的光學系統進行實驗室試驗驗證，最終實現了小于15urad的量子光發射發散角，并接近衍射極限。

在快速指向鏡研制及超前瞄準技術方面，研究人員完成了自行研制快反鏡的詳細設計，進行了關鍵參數計算分析及系統建模，并完成了重要部件選型。產品指標為指向范圍大于6mrad，固有頻率大于1kHz。

在高亮度糾纏源技術方面，研究人員成功研制了高亮度量子糾纏源載荷單機，指標滿足要求，并成功模擬了高損耗的量子糾纏分發實驗。實驗數據顯示，以目前量子糾纏源產品的亮度和品質，足以實現單邊鏈路損耗40dB的糾纏分發。

協同攻關

隨著量子科學實驗衛星關鍵部件的成功交付，衛星發射準備就緒。但這一過程卻凝聚了科學家團隊和全體參研參試工程人員的心血。正是得益于工程隊伍的協同攻關、團結一致，才保障了項目的順利完成。

量子科學實驗衛星不同于其他衛星的一個顯著特點是星上和地面協同完成科學實驗，即天地一體化實驗，而且科學實驗的數據流和指令流鏈路也較其它衛星更為復雜。在工程研制初期，雖然科學家團隊對科學目標和科學實驗都了如指掌，但是很多工程研制人員還是對在軌科學實驗流程感到困惑。由此由工程總體組織、科學應用系統編制了《量子科學實驗衛星工程天地一體化實驗流程分析報告》?？茖W家團隊和工程各系統研制隊伍之間通過對天地一體化實驗流程的不斷討論和細化，接口關系和任務分工不斷明確，使得工程隊伍逐漸對科學實驗及其過程有了清晰的認識；并在工程正樣研制階段，通過大系統聯試進一步驗證了在軌科學實驗流程，以及系統間數據流和指令流的協調匹配性。

在研制過程中，各系統研制團隊通力合作，精益求精。衛星系統在方案階段完成了星地光路對準、星地鏈路偏振態保持與基矢校正、星上量子糾纏源三項關鍵技術攻關，并通過了關鍵技術攻關評審；明確了衛星的總體技術方案，完成了整星初樣設計，為工程實現奠定了基礎。

初樣階段，衛星系統完成了結構熱控星、電性星、鑒定星研制與試驗，同時完成了衛星與運載、測控、地面支撐系統的對接試驗和星地光路對準、量子密鑰分發、量子糾纏分發、量子隱形傳態四項地面驗證專項實驗，充分驗證了光軸對準精度等關鍵指標，科學實驗的功能與流程具備在軌開展科學實驗任務的能力。

正樣階段，衛星系統以正樣星生產與試驗為主線，同時并行開展與其它系統接口對接試驗；2015年11月至2016年5月，整星陸續通過了桌面集成測試、真空熱試驗、EMC試驗、正弦振動試驗、噪聲試驗、帆板展開與光照試驗、精度復測等正樣環境試驗，并通過了科學任務流程演練和整星老練，各項試驗均滿足要求。

項目的工程研制任務除了研制一顆量子科學實驗衛星外，還需研制生產一發長征二號丁運載火箭，由航天科技集團第八研究院負責建造。對于預定軌道，火箭運載能力不小于650kg；運載火箭整流罩內包絡的尺寸大于1600mm×1800mm×1800mm。

CZ-2D運載火箭在運載火箭梯隊素來有“金牌火箭”的美譽，曾26次執行飛行任務，成功率達百分之百。然而每一次任務，航天八院還是當作第一次生產和研制來對待，這一次也不例外，嚴格按照流程高質量完成每一個環節的研制工作，并充分開展地面試驗和考核。

發射場系統和測控系統研制團隊有著多年豐富的航天發射和測控經驗。團隊在面對量子科學實驗衛星時仍然積極學習其特點和要求，全力配合開展適應性改造；按照工程總體的規劃流程，組織完成了與各系統的初、正樣對接試驗，配合完成大系統聯試。

科學應用系統是整個量子科學實驗計劃的大腦；與衛星系統一起構建天地一體化系統；還負責建設完成科學實驗任務所需的科學實驗中心、廣域量子密鑰應用平臺、光學地面站和空間量子隱形傳態實驗站。

中國科學技術大學作為科學應用系統總體，全面承擔起規劃和建設工作。從總概算到建設流程，以及與協作單位協商和建設，都做了周密部署。

中科院國家天文臺作為量子科學實驗衛星科學應用系統的參研單位，主要負責地面站建設和改造分系統工作，并參與總體集成與科學實驗中心分系統和新建望遠鏡分系統部分工作。

在地面站的建設過程中，國家天文臺充分利用其在天文觀測和野外臺站運行的經驗，與科學應用系統的科學目標相結合，設計并參與建設了適用于量子科學實驗衛星觀測的地面站系統。

為提升量子科學試驗的自動化程度，國家天文臺為各個地面站研制了綜合控制系統，用于科學實驗計劃的導入、設備調度、科學數據采集和實驗參數實時反饋；并自主提出環境監測系統，為地面站運行和在軌實驗提供全天云圖、夜天光、溫濕度、氣壓、風速和風向等環境參數，保證設備安全運行和科學數據的有效性。

中科院光電技術研究所新研制的南山和德令哈地面站1.2m口徑望遠鏡和改造的興隆和云南的兩臺米級望遠鏡，是量子通信系統的核心組成部分。

在中科院光電所團隊的攻堅克難下，在地面大口徑望遠鏡接收量子信號光技術方面，團隊提出基于實時擾動估計的控制方法，突破了高動態范圍高精度望遠鏡機架控制技術，實現了對星上終端“針尖對麥芒”的穩定跟瞄功能，望遠鏡的跟蹤精度和指向精度指標遠遠優于任務書的指標要求。同時，望遠鏡在寬光譜光高效率傳輸技術以及量子糾纏和密鑰光的高保偏接收技術方面也有重大突破。

此外，團隊在國際上首次研制完成寬光譜、高效率、高保偏、高精度的望遠鏡光學系統和速度動態范圍大、抗擾能力強的望遠鏡伺服控制系統，以及工作狀態可配置的望遠鏡操控系統，在同一臺望遠鏡上可同時完成量子通信、相干激光通信的實驗任務以及天文觀測任務，其中跟蹤精度、指向精度和信號光高保偏等，均達到國際領先水平。

地面支撐系統建設中的一個突出問題是面臨同時開展幾顆衛星的研制、在軌測試和運行管理的局面。這就要求系統必須具有同時支撐多星的能力，并且也對技術系統、人員素質都提出了更高的要求。

對此，地面支撐系統迎難而上，充分發揮主觀能動性，對系統業務軟件進行有效、合理的調整，采取“基礎平臺框架+各衛星專用軟件”的體系結構，從而確保了對每顆衛星只需將部分軟件進行適應性完善即可進行支撐。也就是說，今后不必再大規模重新建設支撐系統，可謂一勞永逸。

而對于多星同步支持問題，地面支撐系統在系統規劃設計階段就已充分考慮了這一需求?！罢麄€系統具備多任務功能，支持多星，并可對未來任務進行擴展。同時，在人員和管理方面也進行針對性訓練?！钡孛嬷蜗到y總指揮王樹志說。

從長遠來看，“要實現全球化量子通信，還需要長期的努力，特別是需要多顆衛星的組網”，量子科學實驗衛星科學應用系統總師兼衛星系統副總師、中國科大微尺度物質科學國家實驗室研究員彭承志表示。這條征途沒有盡頭。在首顆量子科學實驗衛星發射成功、衛星組網的關鍵技術得以突破后，中國還將發射多顆衛星，計劃到2020年，實現亞洲與歐洲的洲際量子密鑰分發，建成連接亞洲與歐洲的洲際量子通信網；到2030年左右建成全球化的廣域量子通信網絡。