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之前,，大家可能想象不出量子星座是個什么樣，現在了解了在不同軌道運行工作的緊湊型載荷“天宮二號”和微納衛(wèi)星“濟南一號”,，好像漸漸可以想象量子星座的面貌了,。 上個月小墨為大家?guī)砹艘粋€好消息——世界首顆量子微納衛(wèi)星“濟南一號”被送入預定軌道，即將開展研究工作,。本月,，該團隊又為我們帶來了好消息，我們的“量子星座”在太空中又多了一位新成員,。
說是新成員,，其實它比“濟南一號”更早進入太空。早在2016年9月,，我國的天宮二號發(fā)射升空,，它是我國空間實驗室建設之路上的里程碑，除了作為中國第一個真正意義上的空間實驗室被永遠載入史冊,，它飛行在軌的三年時間里,，向國內外相關機構開放合作，完成的各項空間科學實驗也體現了我國作為大國的責任擔當和與日俱增的科技實力,。搭載在天宮二號上的一個量子密鑰分發(fā)終端,，就是對其宏偉成就的一個注腳。相關研究成果于8月18日發(fā)表在學術期刊《Optica》上,。在介紹“濟南一號”的時候,，我們已經提到，“墨子號”發(fā)射升空后,，不負眾望,，完成了人類量子通信歷史上很多個“第一次”。但,，就實用性來說,，一個“墨子號”還遠遠不夠。之所以這么說,，是因為“量子通信”不僅僅是一個寫在論文里的科研課題,，它更是要落到實處——為需要高度安全通信服務的用戶們提供高效便捷的保障，同時,，出于產業(yè)化的考慮,，研發(fā),、運營成本還要控制在一定范圍內。首先,，“墨子號”作為先驅者，它的塊頭太大了,，僅量子密鑰分發(fā)（QKD）載荷大約就有0.669立方米,，重達132.4公斤。這么大的塊頭,，意味著很大的功耗和很高的發(fā)射,、運營成本。從實際使用的角度看,，“墨子號”采取的是太陽同步軌道,，這樣的安排自有其好處，但也有其弊端,。所謂太陽同步軌道衛(wèi)星,，指的是，這樣的衛(wèi)星不隨地球自轉而運動,，它的軌道自有規(guī)則——軌道平面與太陽保持固定取向,，而且經過南北兩級附近，和赤道平面的夾角接近90度,?？梢韵胂螅@種以太陽為榜樣的軌道運行方式,，特別“普惠”,，地球上每個角落每天都可以幾乎公平地享受到“陽光”，但是,，也由于這種方式特別的“雨露均沾”,，沒有重點惠及哪個地區(qū)，對于人群密度大,、密鑰數量要求高的地區(qū),，每天可能只有短短幾分鐘的過境時間，遠遠適應不了要求,。那么,，為了適應那些人群密集地區(qū)的實際需要，量子星座必須配備一些專門為他們考慮的衛(wèi)星,。從實際出發(fā),，北半球中等緯度地區(qū),，集中了大量對保密通信有需求的人群和機構（只要看一下世界地圖,，就能清楚地意識到這一點）,。針對這樣的特殊使命，我們的量子星座里需要布局一些針對這些地區(qū)的衛(wèi)星載荷,，以便于密集,、高效地為這些地區(qū)提供高通量的量子密鑰。這時候,，中等傾角軌道就是一個比較適合的選擇,。所謂軌道的傾角，通常指的是衛(wèi)星軌道平面與某個參考平面（比如地球赤道平面）之間的夾角,。一般來說,，傾角越低，所針對地區(qū)過境次數就越多,，比如,，當傾角是零，那么赤道平面上每天都可以跟低軌衛(wèi)星打好幾次照面兒,。但是我們知道,，傾角是零的軌道，緯度稍微高一點兒就看不到了,，所以對于處于北緯30—50度的重要目標地區(qū),，中等軌道傾角是度身定做的。它雖然每天過境次數沒有小傾角那么多,，但是也比太陽同步軌道多一些,，對于中緯度地區(qū)來說，是一個可行的辦法,。天宮上搭載的量子密鑰分發(fā)載荷,，就是奔著“小型化載荷”和“中等軌道傾角”這兩項突破去的。
先說“小型化”的問題,。天宮上搭載的量子密鑰分發(fā)載荷只有0.190立方米,，重量為57.9公斤，還不到“墨子號”載荷的一半,，相應地,，功率也由“墨子號”的130瓦降低到了80瓦。而在軌道傾角方面,，天宮二號大約為42度,，高度為400公里，正適合我們低軌,、中等傾角的需求,。 載荷在地面上進行測試
天宮二號與“墨子號”同一年升上太空，在大家紛紛關注“墨子號”的表現時，天宮二號上的量子密鑰分發(fā)載荷也沒有辜負科研人員的努力,。2017年,，它完成了和南山地面站之間的量子密鑰分發(fā)實驗，科研人員選擇將成果發(fā)表在了國內自己的期刊《中國物理快報》上,。2018年,，天宮二號開始驗證組網的能力，它希望自己能像一個“鵲橋”一樣,，讓地面上的兩處距離遙遠的雙方,，可以共享密鑰。這次,，和天宮二號打配合的地面站分別位于南山,、麗江、興隆和德令哈,，這四個地面站分布于北緯26—44度,，東經87—118度之間。 麗江地面站
與之前的實驗一樣,，這次依然基于BB84協議的“誘騙態(tài)版本”,，天宮上的載荷包含QKD發(fā)射器、同步模塊和跟蹤系統(tǒng),，地面站則配備有望遠鏡來接收光子,，自動跟瞄系統(tǒng)的總精度達到1~2微弧度。在2018年秋天到2019年冬天的三四個月時間里,，科學家選取了19個日子進行實驗,。雖然具體的天氣狀況、不同地面站的地理位置,、技術性能,，會對QKD的效率和質量產生影響，但是可以明確顯示出,，一個地面站一個晚上可以獲得不止一個可用通道,，通信時間和可獲取的密鑰數量都大大增加。此外,，科學家還利用天宮二號作為中繼,，離線原理性地演示了四個地面站之間的量子網絡。 現在,，“天宮二號”和“墨子號”,、“濟南一號”一樣，我們都不再陌生了,，細心的你一定能感覺到,，“星座”這個構想的宏大和壯闊,。之前，小墨和你一樣,，想象不出量子星座是個什么樣,，現在了解了在不同軌道運行工作的緊湊型載荷“天宮二號”和微納衛(wèi)星“濟南一號”，好像漸漸可以想象量子星座的面貌了,。其實，星座的設計不是量子通信的原創(chuàng),，我們知道從最早的“銥星”計劃,，到后來馬斯克的星鏈、還有一些執(zhí)行特殊任務的遙感衛(wèi)星,，為了保證對需要地區(qū)的覆蓋,，且兼顧效率和觀測頻率，都會根據具體需要,，將不同軌道高度,、不同軌道傾角的衛(wèi)星進行組網，它們之間,，高度,、甚至相位都可能不同，它們協同編隊,，取得最經濟高效的結果,。量子星座也是這般，需要各種不同高度,、不同軌道的衛(wèi)星相互配合,，在此次的工作中，科學家也對這種構想進行了一些理論探討,。他們發(fā)現,，采用兩個中等傾角軌道衛(wèi)星配合的辦法，既可以有效增加密鑰通量,，又可以彌補一些單個中等傾角衛(wèi)星覆蓋不規(guī)則的問題,，而對于一些它們都無法覆蓋的地區(qū)，太陽同步軌道衛(wèi)星就是一個很好的補充,。現在,，天宮二號已經結束了它的歷史使命，而更加小型化的“濟南一號”將要在它的軌道施展拳腳,。今后,，量子星座會越來越立體，在實用化,、小型化,、低成本的路線基礎上,，多種不同類型的低軌道衛(wèi)星、輔以中高軌道量子衛(wèi)星和地面的光纖網絡,，可以讓量子密鑰在天地一體化的網絡中安全,、高效地自由馳騁。■ 背景簡介：文章2022年8月19日發(fā)表于微信公眾號 墨子沙龍（天宮二號上的量子往事）,，風云之聲獲授權轉載,。
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