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好饭不怕晚,研制路漫漫

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6月15日中国成功发射的硬X射线调制望远镜卫星,中文名为“慧眼”,英文名以“Hard”开头。研制团队开玩笑说:“我们选择了Hard模式”。

近日,中国科学技术大学潘建伟教授及其同事彭承志等组成的研究团队,联合中国科学院上海技术物理研究所王建宇研究组、微小卫星创新研究院、光电技术研究所、国家天文台、紫金山天文台、国家空间科学中心等,在中国科学院空间科学战略性先导科技专项的支持下,利用“墨子号”量子科学实验卫星在国际上率先成功实现了千公里级的星地双向量子纠缠分发,并在此基础上实现了空间尺度下严格满足“爱因斯坦定域性条件”的量子力学非定域性检验,在空间量子物理研究方面取得重大突破。相关成果于6月16日以封面论文的形式发表在国际权威学术期刊《科学》杂志上。

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HXMT于2011年正式立项,不过追溯其概念的提出,距今已有20余年。中国科学院高能物理研究所粒子天体物理中心主任、HXMT卫星首席科学家张双南,概括此间“四难”。

量子纠缠被爱因斯坦称之为“鬼魅般的超距作用”,它是两个粒子共同组成的量子状态,无论粒子之间相隔多远,测量其中一个粒子必然会影响其它粒子,这被称为量子力学非定域性。量子纠缠所体现的非定域性是量子力学最神奇的现象之一。量子纠缠分发就是把制备好的两个纠缠粒子分别发送到相距很远的两个点。通过观察两个点的统计测量结果是否破坏贝尔不等式,可以用来验证量子力学非定域性的存在。同时,利用量子纠缠所建立起的量子信道,也是构建量子信息处理网络的基本单元。

6月15日,中国首颗X射线天文卫星“慧眼”从酒泉卫星发射中心升空。这是现场图片。

一是使用许多新的探测技术,但这些技术在国内的基础较差,更没有空间飞行经历,因而出现中能X射线望远镜研制过程有大量反复等情况;

由于量子纠缠非常脆弱,会随着光子在光纤内或者地表大气中的传输距离而衰减,以往的量子纠缠分发实验只停留在百公里的距离。量子纠缠“鬼魅般的超距作用”在更远的距离上是否仍然存在?会不会受到引力等其它因素的影响?这些基本物理问题的验证都需要实现上千公里甚至更远距离的纠缠分发;另一方面,要实现广域的量子网络也自然要求远距离的纠缠分发。

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二是少量关键元器件的订购和维修影响了工程进度;

理论上有两种途径可以扩展量子纠缠分发的距离。一种是利用量子中继,尽管量子中继的研究在近些年已取得了系列重要突破,但是目前仍然受到量子存储寿命和读出效率等因素的严重制约而无法实际应用于远程量子纠缠分发。另一种是利用卫星,因为星地间的自由空间信道损耗小,在远程量子通信中比光纤更具可行性,结合卫星的帮助,可以在全球尺度上实现超远距离的量子纠缠分发。

6月15日,中国首颗X射线天文卫星“慧眼”从酒泉卫星发射中心升空。记者 全晓书
摄影

三是没有配套的地面标定装置。HXMT采用中国学者独创的直接解调成像方法,其先决条件是精确校准观测X射线仪器的过程,为此需要投入大量精力建设大型标定装置;

潘建伟团队早在2003年就提出了利用卫星实现远距离量子纠缠分发的方案,随后于2005年在国际上首次实现了水平距离13公里(大于大气层垂直厚度)的自由空间双向量子纠缠分发。2010年,该团队又在国际上首次实现了基于量子纠缠分发的16公里量子态隐形传输。2011年底,中科院战略性先导科技专项“量子科学实验卫星”正式立项。2012年,潘建伟领导的中科院联合研究团队在青海湖实现了首个百公里的双向量子纠缠分发和量子隐形传态,充分验证了利用卫星实现量子通信的可行性。随后,该团队经过艰苦攻关,克服种种困难,最终研制成功了“墨子号”量子科学实验卫星。卫星于2016年8月16日在酒泉卫星发射中心发射升空,经过四个月的在轨测试,2017年1月18日正式交付开展科学实验。星地量子纠缠分发作为卫星的三大科学实验任务之一,是国际上首次在空间尺度上开展的量子纠缠分发实验。

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四是载荷研制队伍的航天工程经验不足,按照航天标准,占全了新技术、新材料、新工艺、新状态、新环境、新单位、新岗位、新人员和新设备的“九新”。

“墨子号”量子科学实验卫星过境时,同时与青海德令哈站和云南丽江站两个地面站建立光链路,量子纠缠光子对从卫星到两个地面站的总距离平均达2000公里,跟瞄精度达到0.4
μrad。卫星上的纠缠源载荷每秒产生800万个纠缠光子对,建立光链路可以以每秒1对的速度在地面超过1200公里的两个站之间建立量子纠缠,该量子纠缠的传输衰减仅仅是同样长度最低损耗地面光纤的一万亿分之一。在关闭局域性漏洞和测量选择漏洞的条件下,获得的实验结果以4倍标准偏差违背了贝尔不等式,即在千公里的空间尺度上实现了严格满足“爱因斯坦定域性条件”的量子力学非定域性检验。这一重要成果为未来开展大尺度量子网络和量子通信实验研究,以及开展外太空广义相对论、量子引力等物理学基本原理的实验检验奠定了可靠的技术基础。

这是HXMT卫星有效载荷示意图。(来源:中科院高能所)

面对种种困难,研制团队却给自己不断加码,比如提出“不仅要实现1—250KeV的全覆盖,还要扩展到3MeV的伽玛暴探测”。在他们看来,不仅不能降低研制难度,更要让中国天文观测在国际上占据前沿位置。

正因为此,《科学》杂志几位审稿人称赞该成果是“兼具潜在实际现实应用和基础科学研究重要性的重大技术突破”(“a
major technical accomplishment with potential practical applications as
well as being of fundamental scientific importance”)并断言
“绝对毫无疑问将在学术界和广大的社会公众中产生非常巨大影响”(“There is
absolutely no doubt that this letter will have a very large impact, both
within the scientific community and in the grand public”)

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当记者询问HXMT有无备份星时,“就这一次这一颗星了。太难了,太难了。”试验队内一位老专家回答。

除了量子纠缠分发实验外,“墨子号”量子科学实验卫星的其它重要科学实验任务,包括高速星地量子密钥分发、地星量子隐形传态等,也在紧张顺利地进行中,预计今年会有更多的科学成果陆续发布。

高能准直器主管设计师清华大学金永杰教授团队。

甘愿迎难而上,也许是因为参与者深知如果没有这颗星当如何艰难。

中国首枚X射线天文卫星“慧眼”已被稳稳地放置在距地球550公里的近地圆轨道上,对着银河系高能天体展开快速的“巡天”扫描。人们不禁好奇,它和著名的钱德拉X射线天文台、美国NuSTAR卫星有何区别?

20世纪60年代至今,国际上已发射了数十颗空间天文观测卫星。按照国际惯例,无论是确定卫星观测目标还是优先拿到卫星应用数据,中国科学家都难以占据主动权。

人类第一个X射线天文卫星叫“乌呼鲁”,是美国科学家1970年在肯尼亚发射升空的。“乌呼鲁”在当地斯瓦西里语中意为“自由”,它也确实打破了人类认识宇宙的一道枷锁。从那时起,人们开始用X射线“巡天”,观察宇宙天体的高能过程。

已故的中国天体物理奠基人之一、中国科学院院士何泽慧长年为HXMT疾呼,2008年立项遇到瓶颈,她两次致信总理,言辞恳切:“HXMT项目是中国实现学科重大前沿跨越式发展的一个难得的机会”。

47年过去了,刚刚升空的中国“慧眼”是不是来迟了?毕竟太空中,不少X射线探测器来来回回,硬X射线调制望远镜有什么技术优势?

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