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世界首顆量子微納衛星“濟南一(One)号”成功發射
今年春夏之交，上海進入全域靜态管理，市民們齊心協力抗擊疫情。然而看似“停下來(Come)”的(Of)城市并沒有靜止，無數平凡而偉大(Big)的(Of)人(People)們以(By)各種方式貢獻着自己的(Of)力量。有這(This)樣一(One)群科研人(People)員，他(He)們當時(Hour)正面臨一(One)項重要(Want)而時(Hour)間緊急的(Of)任務。這(This)項科研任務，需要(Want)精密、細緻的(Of)調試和(And)攻關，容不(No)得半點差錯，同時(Hour)，還不(No)得不(No)應對緊迫的(Of)時(Hour)間。在(Exist)無法進行人(People)員交換的(Of)現實情況下，位于(At)中國(Country)科學院微小衛星創新研究院臨港園區的(Of)科研團隊，靠着僅有的(Of)10餘人(People)，日夜輪班，相互打氣，終于(At)趕在(Exist)預定時(Hour)間完成了任務。
是什麽任務，時(Hour)間如此緊迫，還如此容不(No)得錯呢？答案在(Exist)今天(2022-7-27)揭曉。
今日中午12點12分，在(Exist)我(I)國(Country)酒泉衛星發射基地，由中國(Country)科學院力學研究所和(And)廣東中科宇航智能技術有限公司聯合研發的(Of)我(I)國(Country)起飛量級最大(Big)的(Of)固體推進劑運載火箭——“力箭一(One)号”進行首飛。“力箭一(One)号”的(Of)首秀可謂重任在(Exist)肩，它帶着六顆衛星一(One)飛沖天，它們将在(Exist)各自的(Of)軌道完成不(No)同的(Of)使命。
其中有一(One)顆衛星，就是世界首顆作(Do)爲(For)量子密鑰分發終端的(Of)微納衛星——“濟南一(One)号”。“濟南一(One)号”由合肥國(Country)家實驗室牽頭研制成功，團隊成員平均年齡僅僅約30歲，從2020年5月立項算起，他(He)們已經爲(For)這(This)顆小衛星奮鬥了整整兩年。
說起量子通信，2016年成功發射升空的(Of)“墨子号”科學實驗衛星是家喻戶曉的(Of)大(Big)明星。在(Exist)太空中運行的(Of)這(This)幾年，“墨子号”除按預定計劃完成了既定任務之外，還超額完成了多項拓展實驗，并且至今仍在(Exist)超期服役：借助位于(At)“墨子号”，人(People)類第一(One)次在(Exist)太空和(And)地面之間完成了量子密鑰分發、量子糾纏分發、量子隐形傳态等科學實驗，并且也實現了洲際量子密鑰分發和(And)基于(At)糾纏的(Of)無中繼量子密鑰分發等實驗。這(This)一(One)系列開創性成果，結合地面上的(Of)量子保密通信“京滬幹線”，爲(For)天地一(One)體化量子密鑰分發網絡的(Of)建立打下了堅實基礎。
雖然“墨子号”在(Exist)量子密鑰分發方面具有劃時(Hour)代的(Of)意義，但是從實用(Use)的(Of)角度說，想要(Want)建立完整的(Of)、具有廣泛應用(Use)意義的(Of)全球量子保密通信網絡，僅有一(One)顆“墨子号”還遠遠不(No)夠。
根據量子密鑰分發的(Of)原理，雙方要(Want)想共享一(One)個(Indivual)“密碼本”，除了需要(Want)通過量子信道傳遞光子，還需要(Want)經典信道進行“對照”，進而知道手上哪些光子可以(By)生(Born)成需要(Want)的(Of)碼。所以(By)，經典信道暢通與否、效率高低，直接影響量子保密通信網絡的(Of)實用(Use)性。在(Exist)這(This)一(One)點上，發射于(At)六年前的(Of)“墨子号”有一(One)些不(No)足，其經典信道采用(Use)的(Of)“微波”，需要(Want)借助現有的(Of)地面微波測控中心進行經典數據交互，受制于(At)有限的(Of)信道資源，成碼效率始終難以(By)提升。此外，“墨子号”通信時(Hour)間短、覆蓋範圍小、成本高等短闆，也需要(Want)在(Exist)後來(Come)的(Of)“量子星座”建設中加以(By)改進。此次發射的(Of)“濟南一(One)号”正是将目标瞄準“實用(Use)性”，圍繞上述短闆攻艱克難，探索出(Out)“低軌微納衛星+小型化地面站”技術路線。
我(I)們了解到(Arrive)，此次發射的(Of)“濟南一(One)号”可謂是高性價比的(Of)代表，在(Exist)小型化、低成本、實時(Hour)成碼三個(Indivual)方面取得了不(No)小的(Of)進步。
與“墨子号”相比，“濟南一(One)号”成功“瘦身”，它的(Of)量子密鑰分發終端僅僅重約23公斤，是“墨子号”的(Of)五分之一(One)。在(Exist)誘騙态光源方面，“濟南一(One)号”光源頻率比“墨子号”提升了六倍，且采用(Use)了單激光器方案，有效降低了側信息洩漏風險。尤其值得一(One)提的(Of)是，“濟南一(One)号”采用(Use)光通信作(Do)爲(For)經典信道，利用(Use)衛星—小型地面站之間的(Of)光通信，配合地面站分鍾級的(Of)密鑰提取效率、約100kbit的(Of)單軌成碼能力，星地之間密鑰生(Born)成時(Hour)效性較“墨子号”提高2-3個(Indivual)數量級，還具備了同步數據傳輸能力。此外，經典安全防護設計得到(Arrive)了加強，能夠與現有的(Of)通信系統安全體系更好地兼容。
今年三月，在(Exist)完成了量子載荷的(Of)研制之後，團隊緊鑼密鼓地投入到(Arrive)了整星的(Of)聯調聯試中。整星質量約爲(For)98公斤，除了載荷模塊之外，還配備綜合電子模塊、姿控模塊、推進模塊、太陽電池陣以(By)及其他(He)必要(Want)的(Of)測控裝置。雖然載荷本身已經通過驗收測試，但作(Do)爲(For)必須運行在(Exist)太空中的(Of)整星，将會置身于(At)溫度、振動、磁場等各種極端的(Of)外部環境，所以(By)還是要(Want)通過層層考驗。我(I)們開頭已經提到(Arrive)，當時(Hour)正值上海疫情最特殊的(Of)時(Hour)期，在(Exist)3月到(Arrive)6月期間，科研團隊在(Exist)人(People)員有限、無法補充的(Of)艱難條件下，超負荷運轉，終于(At)在(Exist)6月8日完成整星相關所有調試工作(Do)，将其運送酒泉。
據悉，“濟南一(One)号”量子微納衛星在(Exist)成功發射之後，仍需進行爲(For)期一(One)個(Indivual)月的(Of)在(Exist)軌測試，之後将正式投入運行，完成與量子密鑰分發相關的(Of)各類科學實驗和(And)應用(Use)推廣。
對于(At)完整的(Of)空地一(One)體廣域量子通信網絡體系來(Come)說，“濟南一(One)号”隻是其中低軌衛星網絡的(Of)開始。因爲(For)，想要(Want)最終實現實用(Use)化、全球化的(Of)量子通信網絡，滿足數目日益增長、現實需求不(No)同的(Of)客戶，必須科學布局中高軌量子衛星、低軌量子通信衛星星座和(And)大(Big)規模的(Of)地面光纖量子通信網絡，根據實際需要(Want)，三個(Indivual)體系相互配合。
但同時(Hour)，“濟南一(One)号”又是重要(Want)的(Of)一(One)大(Big)步，它标志着我(I)國(Country)将在(Exist)世界上首次實現基于(At)微納衛星和(And)小型化地面站之間的(Of)實時(Hour)星地量子密鑰分發。未來(Come)，位于(At)低軌的(Of)“濟南一(One)号”不(No)會寂寞，它将會迎來(Come)另外幾個(Indivual)“兄弟姐妹”，這(This)幾個(Indivual)低軌的(Of)量子密鑰分發終端，可以(By)爲(For)全球大(Big)約100多個(Indivual)用(Use)戶提供高頻、安全的(Of)量子密鑰服務。