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来源： 发布时间： 2:17:04
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揭秘“墨子号”：量子卫星到底有多牛？
科学网酒泉8月16日讯（记者 李瑜）&8月16日凌晨，伴随着世界首颗量子科学实验卫星在酒泉圆满发射成功，中国人的&飞天&梦想再一次在这片古老的土地上绽放，从此，头顶的浩瀚的星空里也多了一份属于中国和世界的&量子&牵挂。
从最初的研制到发射，量子卫星承载了太多关注的目光与期许，那么，这颗举世瞩目的&新星&到底有多牛气？其技术实现难度又有多高？在酒泉卫星发射中心，量子科学实验卫星工程常务副总师兼卫星总指挥王建宇，向《中国科学报》记者讲解了量子卫星技术的诸多&极限挑战&。
天地一体化连通：从太空向地面存钱罐扔硬币
在量子通信中，最大的难点在于如何实现天地一体化的量子联通。这就好比在万米高空，往地面的一个存钱罐里扔硬币，需要准确地将硬币投掷于储蓄罐的狭小入口。如果出现一点点偏差，信息的传递便会功亏一篑。
&量子的编码，就像计算机编码0101一样，有正负、垂直、水平等不同状态，要把量子的偏振方向检测出来，才能变成密码。&王建宇介绍说，量子里面有两组状态，一组是正交的，一组是倾斜45度的，所以，一共有四个不同的偏正状态。
不仅如此，地面上的存钱罐（接收装置）和天空中的投掷者（量子卫星）也不安生，它们都在不停地旋转运动。
&这就是瞄准和检测偏正的最大难度所在，我们要在双方都处于运动状态的情况下完成信息传递。&王建宇强调，稍微对不上一点点都不行，如果这样，地面上收到的就是误码了。
据王建宇介绍，一旦误码率高于3.5%，信息传输就没有意义了。&3.5%是个底线，通常我们会把误码率控制在1%~2%之间。&
探测器灵敏度：在地球上看到月球的火柴光
如果说从太空向地面存钱罐扔硬币已经让人感到咋舌，那接下来的技术则更加让人目眩。
量子卫星采用的是单光子探测器，其目的是实现对每一个光子的捕捉。那么，这是一个什么概念呢？
&一个60瓦的灯泡，每秒钟发射的光子数大约是10&10的二十次方个，而一根火柴的最大光亮大约是3~5瓦。&王建宇说，量子卫星探测器灵敏度相当于在月球上点根火柴，我们在地球上用望远镜可以看到它的亮光。
如果考虑到火柴点燃后，光向四面八方的扩散效应，其观测难度可想而知。&探测器的灵敏度必须达到这种程度，才能捕获来自太空中的一颗颗光子。否则的话，天上的量子卫星就没有存在的意义了。&王建宇说。
时间同步设置：一秒钟给一亿个光子排排队
在太空中，量子卫星每秒钟大约向地面发射一亿个光子，需要地面接收装置对所有光子进行接收。然而，这个接收过程并非来者不拒，而是要讲究个先来后到。
&我们必须知道每个光子是第几个发出来，信息传递就是必须发送端和接收端是能够对的上的，要有一个完整的序列。&王建宇说。
将光子们一一对接起来的办法，就是时间同步。&我们现在的接收频率能做到一个纳秒，也就是在一秒钟之内，把一亿个光子全都排列好。&
心理难关：这是一项从未有过的探索
与此前众多追赶、超越的老剧本不同，量子通信这条路，是中国科学家自己一步步趟过来、摸出来的。
&我们以前做各种各样的卫星的时候，一般都有个参考。尽管人家不会把技术告诉你，但是至少心理上是有个预期的，因为别人已经做成了。我们相信通过自己研究总能成功，心里有这个底。此外，中国已经有很多例证，尽管起步晚，但却实现了赶超。&王建宇如是说。
然而，量子卫星不一样。&这个东西到底行不行，刚开始做的时候，我们心里真的是没底。&王建宇感概地说，尽管我们经手的大大小小的卫星研制工作已经无以计数，但量子卫星对于所有参与者都是一个从未有过的巨大挑战。
谈及量子卫星的发射成功，王建宇很是平淡。&对于人类探索量子物理世界和空间科学的脚步而言，这仅仅是个开始吧。&
&打印& 发E-mail给：&
以下评论只代表网友个人观点，不代表科学网观点。&
<span style="color:#16/8/17 2:05:46
太空和地面的时间对应都没做好，我还真怀疑两处的相对同时我们国家已经精确到了量子级别，如果搞不好，会是一个韩春雨比更大的国际玩笑
<span style="color:#16/8/16 14:59:46
说得越玄乎，越不靠谱
<span style="color:#16/8/16 11:58:23
量子卫星能在万米高空中拍出像显微镜那样的相片吧？
<span style="color:#16/8/16 11:47:30
量子卫星到底想干什么？别告诉我是为了通讯。
<span style="color:#16/8/16 11:01:40
因为是定向收发的，所以就是个不容易被窃取信息的信息中转站呗，接收装置目测迟早要建到西北地区来，军事用途，需要有战略纵深
目前已有8条评论中国第一课量子卫星“墨子号”到底牛在哪？|界面新闻 · JMedia8月16日凌晨，伴随着世界首颗量子科学实验卫星在酒泉圆满发射成功，中国人的&飞天&梦想再一次在这片古老的土地上绽放，从此，头顶浩瀚的星空里也多了一份属于中国和世界的&量子&牵挂。
从最初研制到发射，量子卫星承载了太多的期许，那么，这颗举世瞩目的&新星&到底有多牛气？其技术实现难度又有多高？在酒泉卫星发射中心，量子科学实验卫星工程常务副总师兼卫星总指挥王建宇，向《中国科学报》记者讲解了量子卫星技术的诸多&极限挑战&。
&墨子号&奔向太空&&任晖摄
天地一体化连通：
从太空向地面存钱罐扔硬币
在量子通信中，最大的难点在于如何实现天地一体化的量子连通。这就像在万米高空，往地面的一个存钱罐里扔硬币，要准确地将硬币投掷于储蓄罐的狭小入口内。若出现一点偏差，信息传递便会功亏一篑。
&量子的编码就像计算机编码0101一样，有正负、垂直、水平等不同状态，要把量子的偏振方向检测出来，才能变成密码。&王建宇说，量子里有两组状态，一组为正交，一组倾斜45度，所以共有4个不同的偏正状态。
不仅如此，地面上的&存钱罐&（接收装置）和天空中的&投掷者&（量子卫星）也不安生，都在不停旋转运动。
&这就是瞄准和检测偏正的最大难度所在，我们要在双方都运动时完成信息传递。&王建宇强调，稍微一点对不上都不行，如果这样，地面上收到的就是误码了。据王建宇介绍，一旦误码率高于3.5%，信息传输就没有意义了。&3.5%是个底线，通常我们会把误码率控制在1%~2%。&
探测器灵敏度：
在地球上看到月球的火柴光
如果说从太空向地面存钱罐扔硬币已经让人感到咋舌，那接下来的技术则更加让人目眩。量子卫星采用的是单光子探测器，其目的是实现对每一个光子的捕捉。这是什么概念呢？
&一个60瓦的灯泡，每秒钟发射的光子数大约是10&1020，而一根火柴的最大光亮是3~5瓦。&王建宇说，量子卫星探测器灵敏度相当于在月球上点根火柴，人们在地球上用望远镜可看到它的亮光。
如果考虑到火柴点燃后，光向四面八方的扩散效应，其观测难度可想而知。&探测器的灵敏度必须达到这种程度，才能捕获来自太空的一颗颗光子。否则，天上的量子卫星就没有存在的意义了。&王建宇说。
时间同步设置：
一秒钟给一亿个光子排排队
在太空中，量子卫星每秒钟大约向地面发射一亿个光子，需要地面接收装置对所有光子进行接收。然而，这个接收过程并非来者不拒，而是要讲究个先来后到。
&我们必须知道每个光子是第几个发出来，信息传递就是必须要求发送端和接收端是能够对得上的，要有一个完整的序列。&王建宇说。
将光子们一一对接起来的办法，就是时间同步。&我们现在的接收频率能做到1个纳秒，也就是在1秒钟之内，把1亿个光子全都排列好。&
心理难关：
这是一项从未有过的探索
与此前众多追赶、超越的老剧本不同，量子通信这条路，是中国科学家自己一步步蹚过来、摸出来的。
&我们以前做各种各样的卫星的时候，一般都有个参考。尽管人家不会把技术告诉你，但是至少心理上是有个预期的，因为别人已经做成了，心里有这个底。&王建宇如是说。
然而，量子卫星不一样。&刚开始做的时候，我们心里真的是没底。&王建宇感慨地说，尽管我们经手的大大小小的卫星研制工作已经无以计数，但量子卫星对于所有参与者都是一个从未有过的巨大挑战。
谈及量子卫星的发射成功，王建宇很是平淡。&对于人类探索量子物理世界和空间科学的脚步而言，这仅仅是个开始。&（实习编辑：紫陌）
原文发表于《中国科学报》 ( 第1版 要闻)
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中国墨子号量子卫星天地对接 都用到了哪些技术
　　日前，“墨子号”量子卫星与地面站通信试验照片公布，红光与绿光的对接显得格外科幻。据专家透露，“这其实是使用高功率激光来实现跟踪瞄准——下行光用来校正接收望远镜的角度，上行光用来校正激光器的角度。上下行光谱原则上有差异即可，目前选择红光和绿光只是工程实现方便”。那么，在自由空间量子通信中使用的跟瞄技术到底是怎么一回事，其中又有哪些奥秘呢？
　　什么是APT
　　“墨子号”量子卫星与地面站之所以能够实现比较科幻的通信试验，其关键技术就在于APT技术。为了能在卫星与卫星之间或卫星与地面站之间实现可靠通信，首先要求一颗卫星能捕捉到另一颗卫星或地面站发来的光束，称之为信标光，并将该光束会聚到探测器中心，这个过程称作捕获体（Acquisiton）。捕获完成后，接收方也要发出一光束，要求该光束能准确地指向发出信标光的卫星，这个过程称作指向（Pointing）。发出信标光的卫星接收到此光束后，也要相应地完成捕获过程，才能使两颗卫星或卫星和地面站最终达到通信连接状态。为保证这两颗卫星或卫星与地面站一直处于通信状态，必须一直保持这种精确的连接状态，这过程称作跟踪口（Tracking）。人们称以上的捕获、指向及跟踪过程为APT技术。
　　由于光通信中的通信光束非常窄。因此，为了确保接收方能够接收到足够强的信号能量，必须要保证通信光束与系统光轴的误差控制到误差范围以内，APT技术正是确保了这一高精度要求。因此，APT技术在星间激光通信中扮演着极为重要的角色。
国家天文台兴隆基地实现与“墨子号”天地对接，图为兴隆观测基地1米望远镜（左）
　　APT系统的结构
　　APT系统可分为粗瞄准（粗跟踪）子系统、精瞄准（精跟踪）子系统和信号处理及控制子系统。粗瞄准（粗跟踪）子系统主要完成捕获、对准和大视场的跟踪，粗瞄系统实质为一个两轴光学伺服转台，可带动光学天线进行大范围的运动，但是带宽较小，跟踪定位精度较低。精瞄系统用于对目标进行精瞄准和精跟踪，通常是由压电陶瓷或音圈电机驱动，精瞄系统带宽大，精度高，但是运动范围较小。所以通常将粗瞄系统和精瞄系统组成复合轴控制系统，从而可以进行大范围、高精度、快速地定位和跟踪。信号处理及控制系统负责根据光电编码器和CCD传感器反馈的信息对粗、精瞄准（跟踪）子系统进行控制。
　　以技术比较成熟的SILEX系统为例。SILEX系统的结构如下图所示，由粗瞄准装置、精瞄准装置、提前瞄准装置和天线方向驱动装置组成。
SILEX系统的APT原理图
　　粗瞄准装置由万向转台、粗瞄准控制器和粗瞄准探测器组成，用于捕获和跟踪环节。根据卫星平台的轨道和姿态参数调整万向转台的瞄准方向，并且以一定的方式进行扫瞄捕获，通过调整转台使入射光斑进入精瞄准控制器视场范围。粗瞄准视场角为几个毫弧度，灵敏度约为10PW，瞄准准精度为几十毫弧度。由于光束的发散角很小，为保证较小的捕获时间，应尽量减小不确定区域的面积，即希望开环瞄准子系统有更高的精确度。
　　精瞄装置由精瞄镜、精瞄控制器和精瞄探测器组成，主要作用在于补偿粗瞄装置的瞄准误差及跟踪过程中卫星平台微振动的干扰。精瞄要求视场角为几百微弧度，瞄准精度为几个微弧度，跟踪灵敏度大约为几纳瓦。
　　提前瞄准装置由提前瞄准镜、提前瞄准控制器和提前瞄准探测器。主要用于补偿链路过程中在光束弛豫时间内所发生的卫星间的附加移动。有些系统中提前瞄准探测器是与精瞄探测器共用，另一些系统中这两者是分离的。天线方向驱动装置是光束对准任务的最终实施者，它接受来自开环瞄准、捕获、跟踪等三个子系统的指令，实现光束的对准和跟踪。
　　APT系统的工作原理
　　APT系统的原理如下图所示。该终端在调制电路部分应用直接调制方式对激光器进行调制。发射光束经准直望远镜系统将其进行准直，使之平行输出并经精瞄镜、分束片和两个全反射镜反射后由发射窗口发射。接收光束由滤波器滤去杂光后经粗瞄装置和望远镜系统进入接收光学系统。入射光经分光束后分成两部分，一部分入射到信号光检测器（APD），用于进行通信；另一部分入射到CCD测角系统，用于瞄准角度偏差信号的检测。
　　星上计算机系统用于对整个通信终端进行控制，包括粗瞄准装置系统控制、精瞄准装置系统控制、CCD图像检测、光学通信系统控制。采用CCD测角系统作为捕获、跟踪探测器测量接收端和发射端之间的角度误差。信号光探测器采用雪崩光电二极管（APD）；万向转台的运动采用伺服电机驱动，测角传感器采用绝对式光电编码器。伺服电机和编码器均为中空式，安装在万向转台的转桶外；精瞄准装置使用的是二维压电精瞄镜。精瞄镜和光学系统安装在卫星平台内部，望远镜平面与卫星平台表面平行，作为安装基准平面。
　　建立通信链路的四个阶段
　　墨子号卫星和地面站的通信用采用以下方法逐步实现这一高难度连接。
　　首先利用扫描实现卫星与地面站的初步连接。扫描是指卫星发出信标光束，利用精指向装置的偏转改变信标光的方向，使该信标光束在卫星或地面站可能出现的立体角范围内扫描，直到扫描到卫星或地面站。在扫描过程中，首先要确定扫描的立体角范围，这可以由卫星导航系统中的星历表确定。其次要根据卫星或地面站的位置确定扫描策略。
　　其次进入捕获阶段。卫星探测到信标光后，需要将探测到的信标光束与光通信系统的光轴准确对准，才能实施卫星间的通信。因此，需要将光学探测器探测到的信标光束会聚到探测器中心，也就是实施捕获过程。捕获和跟踪过程使用同一个探测器，最先探测到信标光的探测器部分称为捕获探测器。捕获过程分两步进行第一步，捕获探测器探测到信标光束后，利用FPA的偏转使光束会聚到跟踪探测器上。第二步，将进人到跟踪探测器的光束继续会聚，直至跟踪探测器中心区域。
　　再次是进入瞄准阶段。当捕获成功后，停止螺旋扫描，光学偏差探测器会探测出光学天线与对方信标光的轴线的偏差，继而根据这一偏差计算得出粗瞄系统和精瞄系统的位置指令，驱动光学天线和快速反射镜，使指向偏差趋于零，实现精确瞄准，接下来就可进行链路通信了。
　　最后是跟踪阶段。除了地球同步轨道卫星之间或地球同步轨道卫星与地面站之间的通信链路情况外，通信双方往往存在相对运动，所以要实时控制光学天线和快速反射镜的指向。主控系统会根据双方的坐标、运动信息实时计算APT系统的位置指令，粗瞄、精瞄系统根据位置指令进行实时伺服控制。
　　其实，APT技术除了在激光通信、量子通信中使用，在激光测距，天文观测等已经有过不少应用，是比较成熟的技术，美国和欧洲也都掌握该项技术——欧洲的SILEX高空激光通信实验计划就涉及APT技术，而美国NASA的喷气推进实验室为研究激光通信技术还专门开发过为实现亚微弧级的定位精度，而研发APT算法和相应测试平台。本次“墨子号”量子卫星与地面站通信试验照片虽然显得比较科幻，但却还称不上是中国独有的“黑科技”，用专家的话讲，“这其实是比较成熟的技术，只是这次量子卫星要求跟瞄精度比较高……在保持星地光学系统对准后，就可以传递量子信号了”。
　　参考文献：
　　《卫星激光通信粗瞄控制系统优化设计与实现》，贾丁，哈尔滨工业大学，2014年6月
　　《卫星光通信终端跟瞄控制方法研究》，贾琪，哈尔滨工业大学，2010年7月
　　《星间光通信中的APT技术及其控制系统》，刘锡民、刘立人、郎海涛、潘卫清、赵栋，中国科学院上海光学精密机械研究所，2004年11月}