與“墨子”隔空對話的量子捕獲者

8月16日凌晨1點40分，全球首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”成功發(fā)射。在我們仰望星空，暢想量子密鑰分發(fā)、量子隱形傳態(tài)等科學(xué)實驗帶來的無限未來時，不妨也俯瞰大地，認識一下與“墨子號”隔空“對話”的量子“捕獲者”——我國自主研制的量子科學(xué)衛(wèi)星地面望遠鏡系統(tǒng)。

17日，科技日報記者走進地面望遠鏡研制方中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所。

在量子通信實驗中，地面望遠鏡的任務(wù)包括：高精度指向衛(wèi)星軌道完成捕獲，即讓地面發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星；發(fā)射上行信標激光照射衛(wèi)星，即讓衛(wèi)星“看見”地面；及高精度跟蹤衛(wèi)星光軸、保持高精度星地光軸動態(tài)對準、準確接收下行信號光數(shù)據(jù)等。此次我國的量子科學(xué)實驗衛(wèi)星系統(tǒng)，由1個衛(wèi)星通訊終端和5個地面望遠鏡終端組成，其中在河北興隆、青海德令哈、云南麗江、新疆南山的4個口徑1米以上的地面量子通信望遠鏡，均由中科院光電技術(shù)研究所負責研制。

“‘墨子號’以7.9公里每秒的速度，在距離地球500公里的太空中運行，星地之間傳輸?shù)牧孔佑质悄芰孔钚〉膯挝唬孛嫱h鏡系統(tǒng)要實現(xiàn)對衛(wèi)星的探知、捕獲并實現(xiàn)量子傳輸，如同‘針尖對麥芒’。”中科院光電所黨委書記、地面望遠鏡系統(tǒng)行政總指揮楊虎表示，我國自主研制的量子科學(xué)衛(wèi)星地面望遠鏡系統(tǒng)，在國際上首次完成了寬光譜、高效率、高保偏、高精度的望遠鏡光學(xué)系統(tǒng)和速度動態(tài)范圍大、抗擾能力強的望遠鏡伺服控制系統(tǒng)，以及工作狀態(tài)可配置的望遠鏡操控系統(tǒng)。其中，跟蹤精度、指向精度和信號光高保偏等，均達到國際先進水平。

“目前，地面站對準衛(wèi)星的運行精度達到1角秒。”望遠鏡技術(shù)總指揮黃永梅解釋說，如果將手表表盤刻度均分為360度，再將其中1度均分為3600份，其中一份就是1角秒。目前地面望遠鏡系統(tǒng)跟蹤精度達0.2角秒，相當于在500公里以外，指一束激光到衛(wèi)星上，其光束的晃動范圍僅0.5米左右。

在量子通信實驗中，地面望遠鏡達到上述條件后，僅相當于接通了星地之間的“電話線”，要開展量子通信等實驗即讓“通話內(nèi)容準確送達”，地面望遠鏡系統(tǒng)還面臨高同軸度、寬光譜、高保偏等要求。

望遠鏡系統(tǒng)光學(xué)總裝中心主任古斌說，量子通信實驗中，地面站與衛(wèi)星間要不斷發(fā)射或接收多束光路，同時用于量子密鑰分發(fā)、糾纏實驗或信標光等。為此，地面站必須保證每一束光路能夠絕對平行地“整齊”指向衛(wèi)星，即實現(xiàn)高同軸度。目前，這套自主研制望遠鏡系統(tǒng)同軸度已達到5個微弧度，即多路光束同時指向1000公里外的目標后，它們之間的距離偏差不超過5米。而“高保偏”是指量子光子由衛(wèi)星分發(fā)后，望遠鏡保證光子的偏正態(tài)不會被改變；“寬光譜”則是望遠鏡能夠識別量子光束、激光等不同光譜的多種光路。

       目前，該系統(tǒng)還在國際上首次實現(xiàn)了同一臺望遠鏡同時完成量子通信、相干激光通信以及天文觀測等多種任務(wù)。“‘墨子號’在軌期間，望遠鏡可同衛(wèi)星通信終端聯(lián)合開展星地量子通信實驗、高速率相干激光通信實驗。實驗任務(wù)結(jié)束后，它還可作為天文望遠鏡對空間目標進行巡天觀測。”黃永梅說。（盛利）