2011年，中國(guó)科學(xué)院論證并啟動(dòng)了空間科學(xué)先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)，2011年底，量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星項(xiàng)目正式立項(xiàng)。這既意味著中國(guó)科學(xué)家向完全自主研發(fā)世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)起挑戰(zhàn)，更意味著中國(guó)或?qū)⑾扔跉W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(xiàng)于2011年，但若從前期技術(shù)貯備就開(kāi)始算起，這條路中國(guó)足足走了十多年之久。
如今，全球首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星已經(jīng)準(zhǔn)備就緒，“整裝待發(fā)”。
十年積淀
量子通信和量子計(jì)算研究興起后，世界各地的物理學(xué)家都紛紛開(kāi)始構(gòu)思可擴(kuò)展量子信息處理網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)。在量子通信領(lǐng)域，當(dāng)大多數(shù)人仍致力于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部的原理性演示時(shí)，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開(kāi)始思考如何能夠在太空中實(shí)現(xiàn)量子信息傳輸，并早在2003年就初步構(gòu)想了量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星計(jì)劃。
在這一背景下，2005年，潘建偉團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了13公里自由空間量子糾纏和密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，證實(shí)光子穿透大氣層后，其量子態(tài)能夠有效保持，從而驗(yàn)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(xiàn)后，中科院高瞻遠(yuǎn)矚，適時(shí)超常規(guī)啟動(dòng)了兩個(gè)知識(shí)創(chuàng)新工程重大項(xiàng)目——“遠(yuǎn)距離量子通信實(shí)驗(yàn)研究”和“空間尺度量子實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)與驗(yàn)證”。
在創(chuàng)新工程重大項(xiàng)目的支持下，潘建偉團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了16公里自由空間量子隱形傳態(tài)，并與中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所、上海微小衛(wèi)星工程中心、中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所等研究機(jī)構(gòu)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手，發(fā)展了一系列自由空間量子通信的關(guān)鍵技術(shù)，先后實(shí)現(xiàn)了百公里級(jí)自由空間量子通信、星地量子通信的全方位地面驗(yàn)證等重要實(shí)驗(yàn)，為實(shí)現(xiàn)星地量子通信奠定了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)。
至此，星地量子通信的可行性已經(jīng)得到充分驗(yàn)證。此時(shí)，中科院果斷決策啟動(dòng)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星工程立項(xiàng)論證，并將其列為空間科學(xué)先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)的內(nèi)容。
工程總體與六大系統(tǒng)
量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的科學(xué)目標(biāo)是開(kāi)展星地高速量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行廣域量子密鑰網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)，以期在空間量子通信實(shí)用化方面取得重大突破；在空間尺度進(jìn)行量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)，開(kāi)展空間尺度量子力學(xué)完備性檢驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)研究。
對(duì)于科學(xué)衛(wèi)星來(lái)說(shuō)，有效載荷的配置尤為重要，直接關(guān)系到能否將科學(xué)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為工程指標(biāo)，并實(shí)現(xiàn)科學(xué)目標(biāo)。
為了滿(mǎn)足量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的科學(xué)目標(biāo)要求，工程對(duì)有效載荷配置和指標(biāo)要求進(jìn)行了綜合分析和論證，邀請(qǐng)領(lǐng)域?qū)＜疫M(jìn)行討論和評(píng)定，經(jīng)過(guò)兩次科學(xué)目標(biāo)和有效載荷配置評(píng)審后，才最終確定了星上載荷配置。
之后，工程各系統(tǒng)根據(jù)衛(wèi)星可行性方案開(kāi)展了系統(tǒng)可行性論證，完成并通過(guò)了立項(xiàng)綜合論證，進(jìn)而明確了工程研制任務(wù)：
研制一顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，研制生產(chǎn)一發(fā)長(zhǎng)征二號(hào)丁運(yùn)載火箭，在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心將衛(wèi)星發(fā)射至高度為500公里的預(yù)定軌道。同時(shí)建設(shè)以4個(gè)量子通信地面站和1個(gè)空間量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)站為核心的天地一體化量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。
隨后，借鑒以往衛(wèi)星工程管理經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也根據(jù)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的特點(diǎn)和實(shí)際需求，設(shè)置了工程總體和六大系統(tǒng)，包括衛(wèi)星系統(tǒng)、運(yùn)載火箭系統(tǒng)、發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)、地面支撐系統(tǒng)和科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)。
工程總體負(fù)責(zé)制定工程研制計(jì)劃，編制工程頂層文件，組織工程重大活動(dòng)，協(xié)調(diào)系統(tǒng)間問(wèn)題，同時(shí)對(duì)工程整個(gè)研制過(guò)程進(jìn)行監(jiān)督和管理。
六大系統(tǒng)分工明確：衛(wèi)星系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)衛(wèi)星平臺(tái)和有效載荷的研發(fā)，載荷包括量子密鑰通信機(jī)、量子糾纏發(fā)射機(jī)、量子糾纏源和量子實(shí)驗(yàn)控制與處理機(jī)；
運(yùn)載火箭系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)運(yùn)載火箭的研制和生產(chǎn)；
發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)選擇酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心作為量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的發(fā)射場(chǎng)，主要承擔(dān)運(yùn)載火箭和量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的測(cè)試、發(fā)射任務(wù)，并提供地面技術(shù)支持與勤務(wù)保障；
測(cè)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)運(yùn)載火箭主動(dòng)段提供測(cè)控支持，對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)實(shí)施測(cè)控及長(zhǎng)期運(yùn)行管理，支持開(kāi)展科學(xué)實(shí)驗(yàn)，向地面支撐系統(tǒng)傳輸原始遙測(cè)數(shù)據(jù)，接收地面支撐系統(tǒng)傳送的科學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并完成數(shù)據(jù)的上行發(fā)送和下行接收；
地面支撐系統(tǒng)負(fù)責(zé)提供實(shí)驗(yàn)任務(wù)運(yùn)行控制管理、數(shù)據(jù)接收、預(yù)處理、管理和歸檔等公用性支撐服務(wù)，是連接科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)和測(cè)控系統(tǒng)的紐帶，任務(wù)要求包括實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)接收、實(shí)驗(yàn)任務(wù)運(yùn)控管理、數(shù)據(jù)預(yù)處理與歸檔管理和地面通信網(wǎng)絡(luò)支持等；
科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)負(fù)責(zé)整個(gè)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星工程科學(xué)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃的制訂、科學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)施、科學(xué)數(shù)據(jù)和應(yīng)用的處理傳輸存儲(chǔ)管理與發(fā)布，其系統(tǒng)配置為：1個(gè)中心——合肥量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，4個(gè)站——南山、德令哈、興隆、麗江量子通信地面站，1個(gè)平臺(tái)——阿里量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
關(guān)鍵技術(shù)
作為我國(guó)自主研發(fā)的星地量子通信設(shè)備，量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星突破了一系列高精尖技術(shù)，既包括“針尖對(duì)麥芒”的星地光路對(duì)準(zhǔn)、偏振態(tài)保持與星地基矢校正、量子糾纏源等工程級(jí)關(guān)鍵技術(shù)，也包括與有效載荷相關(guān)的多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)。
量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星需要在兩年的設(shè)計(jì)壽命中完成四大任務(wù)：星地高速量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)、廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)、星地量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)和地星量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)。
這些實(shí)驗(yàn)將通過(guò)我國(guó)自主研發(fā)的星地量子通信設(shè)備完成，它能夠產(chǎn)生經(jīng)過(guò)編碼的、甚至是糾纏的光子并發(fā)射到地面上，與之對(duì)接的地面系統(tǒng)則負(fù)責(zé)“接收光子”，這種光子的發(fā)射與接收被稱(chēng)為“針尖對(duì)麥芒”。
然而這卻不是一件容易的事情。量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星十分復(fù)雜，在它飛行的過(guò)程中，攜帶的兩個(gè)激光器要分別瞄準(zhǔn)兩個(gè)地面站，向左向右同時(shí)傳輸糾纏光子。這就要求在飛行的過(guò)程中必須始終保證精確對(duì)準(zhǔn)，跟蹤要達(dá)到相當(dāng)高的精度，這也是國(guó)際上從來(lái)沒(méi)有人做過(guò)的。
“激光器一站對(duì)一站的有人做過(guò)，但是一顆衛(wèi)星對(duì)準(zhǔn)兩個(gè)地面站的從來(lái)沒(méi)有過(guò)，而且還要保證對(duì)得準(zhǔn)確……如果能夠做到的話(huà)，在國(guó)際上也是第一次做這么高精度的跟蹤和地面站配合。”中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心主任、空間科學(xué)先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)科學(xué)衛(wèi)星工程常務(wù)副總指揮吳季告訴我們。
為了讓穿越大氣層后光子的“針尖”仍能對(duì)上接收站的“麥芒”，量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星工程常務(wù)副總師兼衛(wèi)星總指揮、中科院上海技術(shù)物理所王建宇研究員帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，與潘建偉團(tuán)隊(duì)一道，從2012年起就開(kāi)始進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)——如收發(fā)距離40公里的轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)，與衛(wèi)星繞地運(yùn)行的角速度一致；又如30公里距離的車(chē)載高速運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，考驗(yàn)超遠(yuǎn)距離“移動(dòng)瞄靶”能力；再如熱氣球浮空平臺(tái)，在空地環(huán)境下模擬量子密鑰分發(fā)……
此外，單顆衛(wèi)星的量子通信還只是最簡(jiǎn)單的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的信息傳遞。加上白天強(qiáng)烈的日光背景，目前的星地量子通信還只能在夜間進(jìn)行，這就進(jìn)一步限制了星地量子通信的效率。由于量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的在軌設(shè)計(jì)壽命僅為兩年，因此任務(wù)十分緊迫。
除了星地光路對(duì)準(zhǔn)，星地鏈路偏振態(tài)保持與基矢校正也是另一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。為了突破這一瓶頸，研究人員首先通過(guò)載荷模樣機(jī)研制，驗(yàn)證偏振性能，確定分色片等關(guān)鍵部件的技術(shù)狀態(tài)；再進(jìn)行地面站偏振保持方案原理驗(yàn)證，確定復(fù)核基矢校正計(jì)算算法；然后確定基矢測(cè)量受外界條件影響方式以及搭建地面站模擬終端進(jìn)行載荷樣機(jī)與地面站模擬終端聯(lián)合試驗(yàn)等方式和渠道，終于明確了偏振態(tài)保持和基矢校正關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方案和技術(shù)狀態(tài)，并有效驗(yàn)證了關(guān)鍵技術(shù)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，確認(rèn)其能夠滿(mǎn)足科學(xué)目標(biāo)的需求。
量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的科學(xué)目標(biāo)之一是量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)，在軌需要在星上制備高亮度糾纏光源，并將產(chǎn)生的糾纏光子對(duì)通過(guò)量子密鑰通信機(jī)和量子糾纏發(fā)射機(jī)同時(shí)向兩個(gè)地面站發(fā)射。
量子糾纏源的航天工程化也是量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。研究人員從糾纏源亮度、對(duì)比度、中心波長(zhǎng)和光學(xué)接口指標(biāo)幾個(gè)方面著手，細(xì)化工程化指標(biāo)，提煉出窄線(xiàn)寬泵浦激光器的空間適應(yīng)性、高精度Sagnac干涉儀穩(wěn)定性以及空間光纖極化控制三大技術(shù)難點(diǎn)，通過(guò)模樣機(jī)的研制以及單模、保偏兩種光纖極化控制方案的并行攻關(guān)，最終明確了量子糾纏源及光接口的技術(shù)狀態(tài)，設(shè)計(jì)保證了關(guān)鍵技術(shù)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，且具有較大的裕度，滿(mǎn)足科學(xué)任務(wù)的需求。
此次，量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星將包含4個(gè)有效載荷，分別是量子密鑰通信機(jī)、量子糾纏發(fā)射機(jī)、量子糾纏源、量子實(shí)驗(yàn)控制與處理機(jī)。而針對(duì)4個(gè)載荷的技術(shù)攻關(guān)，也耗費(fèi)了科學(xué)家和工程技術(shù)人員的大量時(shí)間和心血。
在高質(zhì)量量子光束及低損耗鏈路技術(shù)方面，科學(xué)家們開(kāi)展了近衍射極限量子光發(fā)射技術(shù)研究，理論分析了光纖出射光經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直鏡發(fā)射遠(yuǎn)場(chǎng)分布。分析表明，通過(guò)增大出射口徑、提高光學(xué)質(zhì)量等手段可優(yōu)化發(fā)散角。于是，技術(shù)人員選擇采用一定口徑和焦距的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)驗(yàn)證，最終實(shí)現(xiàn)了小于15urad的量子光發(fā)射發(fā)散角，并接近衍射極限。
在快速指向鏡研制及超前瞄準(zhǔn)技術(shù)方面，研究人員完成了自行研制快反鏡的詳細(xì)設(shè)計(jì)，進(jìn)行了關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算分析及系統(tǒng)建模，并完成了重要部件選型。產(chǎn)品指標(biāo)為指向范圍大于6mrad，固有頻率大于1kHz。
在高亮度糾纏源技術(shù)方面，研究人員成功研制了高亮度量子糾纏源載荷單機(jī)，指標(biāo)滿(mǎn)足要求，并成功模擬了高損耗的量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，以目前量子糾纏源產(chǎn)品的亮度和品質(zhì)，足以實(shí)現(xiàn)單邊鏈路損耗40dB的糾纏分發(fā)。
協(xié)同攻關(guān)
如今，隨著量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星關(guān)鍵部件的成功交付，衛(wèi)星發(fā)射準(zhǔn)備就緒。但這一過(guò)程卻凝聚了科學(xué)家團(tuán)隊(duì)和全體參研參試工程人員的心血。正是得益于工程隊(duì)伍的協(xié)同攻關(guān)，團(tuán)結(jié)一致，才保障了項(xiàng)目的順利完成。
量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星不同于其他衛(wèi)星的一個(gè)顯著特點(diǎn)是星上和地面協(xié)同完成科學(xué)實(shí)驗(yàn)，即天地一體化實(shí)驗(yàn)，而且科學(xué)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)流和指令流鏈路也較其它衛(wèi)星更為復(fù)雜。
在工程研制初期，雖然科學(xué)家團(tuán)隊(duì)對(duì)科學(xué)目標(biāo)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)都了如指掌，但是很多工程研制人員還是對(duì)在軌科學(xué)實(shí)驗(yàn)流程感到困惑。由此由工程總體組織、科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)編制了《量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星工程天地一體化實(shí)驗(yàn)流程分析報(bào)告》�？茖W(xué)家團(tuán)隊(duì)和工程各系統(tǒng)研制隊(duì)伍之間通過(guò)對(duì)天地一體化實(shí)驗(yàn)流程的不斷討論和細(xì)化，接口關(guān)系和任務(wù)分工不斷明確，使得工程隊(duì)伍逐漸對(duì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)及其過(guò)程有了清晰的認(rèn)識(shí)；并在工程正樣研制階段，通過(guò)大系統(tǒng)聯(lián)試進(jìn)一步驗(yàn)證了在軌科學(xué)實(shí)驗(yàn)流程，以及系統(tǒng)間數(shù)據(jù)流和指令流的協(xié)調(diào)匹配性。
在研制過(guò)程中，各系統(tǒng)研制團(tuán)隊(duì)通力合作，精益求精。
衛(wèi)星系統(tǒng)在方案階段完成了星地光路對(duì)準(zhǔn)、星地鏈路偏振態(tài)保持與基矢校正、星上量子糾纏源三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，并通過(guò)了關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)評(píng)審；明確了衛(wèi)星的總體技術(shù)方案，完成了整星初樣設(shè)計(jì)，為工程實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。
初樣階段，衛(wèi)星系統(tǒng)完成了結(jié)構(gòu)熱控星、電性星、鑒定星研制與試驗(yàn)，同時(shí)完成了衛(wèi)星與運(yùn)載、測(cè)控、地面支撐系統(tǒng)的對(duì)接試驗(yàn)和星地光路對(duì)準(zhǔn)、量子密鑰分發(fā)、量子糾纏分發(fā)、量子隱形傳態(tài)四項(xiàng)地面驗(yàn)證專(zhuān)項(xiàng)試驗(yàn)，充分驗(yàn)證了光軸對(duì)準(zhǔn)精度等關(guān)鍵指標(biāo)，科學(xué)實(shí)驗(yàn)的功能與流程具備在軌開(kāi)展科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)的能力。
正樣階段，衛(wèi)星系統(tǒng)以正樣星生產(chǎn)與試驗(yàn)為主線(xiàn)，同時(shí)并行開(kāi)展與其它系統(tǒng)接口對(duì)接試驗(yàn)；2015年11月至2016年5月，整星陸續(xù)通過(guò)了桌面集成測(cè)試、真空熱試驗(yàn)、EMC試驗(yàn)、正弦振動(dòng)試驗(yàn)、噪聲試驗(yàn)、帆板展開(kāi)與光照試驗(yàn)、精度復(fù)測(cè)、質(zhì)量特性測(cè)試和磁測(cè)試等等正樣環(huán)境試驗(yàn)，并通過(guò)了科學(xué)任務(wù)流程演練和整星老練，各項(xiàng)試驗(yàn)均滿(mǎn)足要求。
此次項(xiàng)目的工程研制任務(wù)除了研制一顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星外，還需研制生產(chǎn)一發(fā)長(zhǎng)征二號(hào)丁運(yùn)載火箭，由航天科技集團(tuán)第八研究院負(fù)責(zé)建造。對(duì)于預(yù)定軌道，火箭運(yùn)載能力不小于650 kg；運(yùn)載火箭整流罩內(nèi)包絡(luò)的尺寸大于1600 mm×1800 mm×1800 mm。
CZ-2D運(yùn)載火箭在運(yùn)載火箭梯隊(duì)素來(lái)有“金牌火箭”的美譽(yù)，曾26次執(zhí)行飛行任務(wù)，成功率達(dá)到百分之百。然而每一次任務(wù)，航天八院還是當(dāng)作第一次生產(chǎn)和研制來(lái)對(duì)待，這一次也不例外，嚴(yán)格按照系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化的流程高質(zhì)量完成每一個(gè)環(huán)節(jié)的研制工作，充分開(kāi)展地面試驗(yàn)和考核，力求圓滿(mǎn)執(zhí)行發(fā)射任務(wù)。
發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)和測(cè)控系統(tǒng)研制團(tuán)隊(duì)有著多年豐富的航天發(fā)射和測(cè)控經(jīng)驗(yàn)。這樣一位成熟老道的合作伙伴，面對(duì)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星卻仍然積極學(xué)習(xí)衛(wèi)星的特點(diǎn)和要求，全力配合開(kāi)展適應(yīng)性改造；按照工程總體的規(guī)劃流程，組織完成了與衛(wèi)星系統(tǒng)、地面支撐系統(tǒng)等各系統(tǒng)的初、正樣對(duì)接試驗(yàn)，配合完成大系統(tǒng)聯(lián)試�，F(xiàn)在，他們正礪兵秣馬，等待量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的到來(lái)。
科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)負(fù)責(zé)科學(xué)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃的制定、科學(xué)實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行控制、科學(xué)數(shù)據(jù)和應(yīng)用的處理傳輸存儲(chǔ)管理與發(fā)布，是整個(gè)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃的大腦；同時(shí)科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)將與衛(wèi)星系統(tǒng)一起構(gòu)建天地一體化系統(tǒng)；科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)還負(fù)責(zé)建設(shè)完成科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)所需的科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心、廣域量子密鑰應(yīng)用平臺(tái)、光學(xué)地面站和空間量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)站。
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)作為科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)總體，全面承擔(dān)起規(guī)劃和建設(shè)工作。從總概算到建設(shè)流程，以及與協(xié)作單位協(xié)商和建設(shè)，都做了周密部署。
中科院國(guó)家天文臺(tái)作為量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)的參研單位，主要負(fù)責(zé)地面站建設(shè)和改造分系統(tǒng)工作，并參與總體集成與科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心分系統(tǒng)和新建望遠(yuǎn)鏡分系統(tǒng)部分工作。
在地面站的建設(shè)過(guò)程中，國(guó)家天文臺(tái)充分利用其在天文觀(guān)測(cè)和野外臺(tái)站運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)，與科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)的科學(xué)目標(biāo)相結(jié)合，設(shè)計(jì)并參與建設(shè)了適用于量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星觀(guān)測(cè)的地面站系統(tǒng)。
為提升量子科學(xué)試驗(yàn)的自動(dòng)化程度，國(guó)家天文臺(tái)為各個(gè)地面站研制了綜合控制系統(tǒng)，用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃的導(dǎo)入、設(shè)備調(diào)度、科學(xué)數(shù)據(jù)采集和實(shí)驗(yàn)參數(shù)實(shí)時(shí)反饋；并自主提出環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為地面站運(yùn)行和在軌實(shí)驗(yàn)提供全天云圖、夜天光、溫濕度、氣壓、風(fēng)速和風(fēng)向等環(huán)境參數(shù)，保證設(shè)備安全運(yùn)行和科學(xué)數(shù)據(jù)的有效性。
中科院光電技術(shù)研究所新研制的南山和德令哈地面站1.2m口徑望遠(yuǎn)鏡和改造的興隆和云南的兩臺(tái)米級(jí)望遠(yuǎn)鏡，是量子通信系統(tǒng)的核心組成部分。
在中科院光電所團(tuán)隊(duì)的攻堅(jiān)克難下，在地面大口徑望遠(yuǎn)鏡接收量子信號(hào)光技術(shù)方面，團(tuán)隊(duì)提出基于實(shí)時(shí)擾動(dòng)估計(jì)的控制方法，突破了高動(dòng)態(tài)范圍高精度望遠(yuǎn)鏡機(jī)架控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)星上終端“針尖對(duì)麥芒”的穩(wěn)定跟瞄功能，望遠(yuǎn)鏡的跟蹤精度和指向精度指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于任務(wù)書(shū)的指標(biāo)要求。同時(shí)，望遠(yuǎn)鏡在寬光譜光高效率傳輸技術(shù)以及量子糾纏和密鑰光的高保偏接收技術(shù)方面也有重大突破。
此外，團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次研制完成寬光譜、高效率、高保偏、高精度的望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)和速度動(dòng)態(tài)范圍大、抗擾能力強(qiáng)的望遠(yuǎn)鏡伺服控制系統(tǒng)，以及工作狀態(tài)可配置的望遠(yuǎn)鏡操控系統(tǒng)，在同一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡上可同時(shí)完成量子通信、相干激光通信的實(shí)驗(yàn)任務(wù)以及天文觀(guān)測(cè)任務(wù)，其中跟蹤精度、指向精度和信號(hào)光高保偏等，均達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。
現(xiàn)在，新建望遠(yuǎn)鏡已成功交付科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)，南山、德令哈、興隆地面站已經(jīng)成功通過(guò)科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)組織的測(cè)試驗(yàn)收，剩余工作正在緊鑼密鼓的開(kāi)展，以迎接量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射及后續(xù)在軌實(shí)驗(yàn)工作的開(kāi)展。
地面支撐系統(tǒng)建設(shè)中的一個(gè)突出問(wèn)題是，面臨同時(shí)開(kāi)展幾顆衛(wèi)星的研制、在軌測(cè)試和運(yùn)行管理的局面。這就要求系統(tǒng)必須具有同時(shí)支撐多星的能力，并且也對(duì)技術(shù)系統(tǒng)、人員素質(zhì)都提出了更高的要求。
這些問(wèn)題無(wú)法回避，也不能回避。對(duì)此，地面支撐系統(tǒng)迎難而上，充分發(fā)揮主觀(guān)能動(dòng)性，對(duì)系統(tǒng)業(yè)務(wù)軟件進(jìn)行有效、合理的調(diào)整，采取“基礎(chǔ)平臺(tái)框架+各衛(wèi)星專(zhuān)用軟件”的體系結(jié)構(gòu)，從而確保了對(duì)每顆衛(wèi)星只需將部分軟件進(jìn)行適應(yīng)性完善即可進(jìn)行支撐。也就是說(shuō)，今后不必再大規(guī)模地重新建設(shè)支撐系統(tǒng)，可謂是一勞永逸。
而對(duì)于多星同步支持問(wèn)題，地面支撐系統(tǒng)在系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)階段就未雨綢繆地充分考慮了這一需求。“整個(gè)系統(tǒng)具備多任務(wù)功能，支持多星，并可對(duì)未來(lái)任務(wù)進(jìn)行擴(kuò)展。同時(shí)，在人員和管理方面也進(jìn)行針對(duì)性訓(xùn)練。”地面支撐系統(tǒng)總指揮王樹(shù)志告訴《科學(xué)新聞》。
雖然如今量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星可謂“萬(wàn)事俱備，只欠東風(fēng)”。但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，“要實(shí)現(xiàn)全球化量子通信，還需要長(zhǎng)期的努力，特別是需要多顆衛(wèi)星的組網(wǎng)”，量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)總師兼衛(wèi)星系統(tǒng)副總師、中國(guó)科大微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究員彭承志表示。
這條征途沒(méi)有盡頭。在首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射成功、衛(wèi)星組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)得以突破后，中國(guó)還將發(fā)射多顆衛(wèi)星，計(jì)劃到2020年，實(shí)現(xiàn)亞洲與歐洲的洲際量子密鑰分發(fā)，建成連接亞洲與歐洲的洲際量子通信網(wǎng)；到2030年左右建成全球化的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)�！�