地卫“通信员”的千里追踪

2016年8月16日，由我国自主研制的世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”顺利发射升空，开启为期两年的“太空旅程”。在此期间，地面的科学家如何与它取得联系，并开展实验呢？在这里，地卫“通信员”不可或缺。由谁来担当这个重要角色呢？那就是分别位于青海德令哈、新疆南山、北京兴隆和云南丽江的4个地面望远镜系统。量子卫星与这4个地面望远镜系统的互动，将成为整个通信科学实验的重头戏。这一实验将进一步验证量子引力等基本理论的科学性，弄清被爱因斯坦称为“幽灵般的超距作用”在空间大范围是否存在，并为我国建立天地一体化的量子通信网络探路。

远距离通信的好拍档

在通信史上，将信息传递得更快、更远、更安全一直是人类追求的方向。当人们意识到量子通信技术的优势后，就将其看作未来保障信息安全的有力工具，那么如何建立一个高效的量子通信网络便成为当务之急。

光纤技术的发展给人类提供了一种新的量子通信方式，而且实现起来也十分容易。然而，正当人们为此跃跃欲试时，却发现光纤的衰减效应成了远距离量子通信技术不可逾越的障碍。人们只好重新开始将目光转向自由空间的量子传输。

我们知道，光是沿着直线传播的，理论上只要光源与探测器之间的连线上没有光（电磁波）的障碍物，就能保证探测器接收到光源的信号。这条连线如果只有几米、几十米，甚至几百米，光源和探测器还容易对准。但如果两者相距1000千米或更远的话，该如何对准呢？何况地球表面还是弯曲的，这更加限制了光传播的距离，恐怕连100千米都很难达到，而且传播过程中还会有因大气散射、吸收导致的能量损耗。

如此一来，卫星通信的方式就显得十分具有优势了。卫星之间的通信以及卫星与地面的通信，都是通过自由空间传播的；而外太空对光的传输来说是最好的环境。由于大气随高度的增加逐渐稀薄，这就大大减弱了大气引起的衰减和干扰，用卫星传输数千千米也只相当于在地面上传输几千米。利用卫星作为量子通信的中转平台，科学家们可以在地球的任意两点之间建立量子信道。那么，接下来的问题就在于高速运动的卫星和地面望远镜之间该如何对准了。

跨越千里的精准“握手”

地面望远镜系统就像量子卫星和大地之间的通信员，是实现量子通信的基本条件之一。当卫星从地面望远镜系统上空经过的时候，工作站将发射一束直径不到5毫米的激光光束覆盖卫星所在区域。卫星接收到这信标光后，反馈一束信标光给地面望远镜系统，随后地面站根据卫星反馈的激光信号进行捕获跟踪，光路对接任务便完成了，此时卫星就可以与地面进行既定的各种科学实验测试。

但是地面望远镜系统要在短时间内完成对高速飞行的量子卫星的快速捕获，并完成对量子密钥的接收，难度非常大。量子卫星距离地面约500千米，以每秒7.9千米的速度划过天空，经过每个地面望远镜系统的时间约为5分钟。而这样的过境也不是每天都会有，每个月量子卫星经过各个地面望远镜系统的次数不超过20次，这就意味着每月实验的次数不超过20次。要在这短短的几分钟内，让量子卫星与距离500千米远的望远镜“握手”，需要达到的精度就好比把一个表盘的一周按 360°分，然后取1/360，再把这1/360细分成 3600 份。成都的中科院光电技术研究所的技术人员们经过多年研制和调试，终于搭建起星地之间稳定的对接通道。

有了这样精准的对接，我国将可以对量子理论和其预示的各种奇异现象进行实际检验。例如，量子卫星制造出一对纠缠光子，将其分别发送到两个地面望远镜系统，根据物理原理，只要测量其中一个光子，另一个的状态就已知了，从而验证爱因斯坦所说的那种“幽灵般的超距作用”。量子卫星与地面望远镜系统合作能否解开更多的未解之谜，提供更安全高效的通信网络，我们将拭目以待。