8月16日凌晨1點40分，全球首顆量子科學實驗衛星“墨子號”成功發射。在我們仰望星空，暢想量子密鑰分發、量子隱形傳態等科學實驗帶來的無限未來時，不妨也俯瞰大地，認識一下與“墨子號”隔空“對話”的量子“捕獲者”——我國自主研制的量子科學衛星地面望遠鏡系統。
17日，科技日報記者走進地面望遠鏡研制方中國科學院光電技術研究所。
在量子通信實驗中，地面望遠鏡的任務包括：高精度指向衛星軌道完成捕獲，即讓地面發現衛星；發射上行信標激光照射衛星，即讓衛星“看見”地面；及高精度跟蹤衛星光軸、保持高精度星地光軸動態對準、準確接收下行信號光數據等。此次我國的量子科學實驗衛星系統，由1個衛星通訊終端和5個地面望遠鏡終端組成，其中在河北興隆、青海德令哈、云南麗江、新疆南山的4個口徑1米以上的地面量子通信望遠鏡，均由中科院光電技術研究所負責研制。
“‘墨子號’以7.9公里每秒的速度，在距離地球500公里的太空中運行，星地之間傳輸的量子又是能量最小的單位，地面望遠鏡系統要實現對衛星的探知、捕獲并實現量子傳輸，如同‘針尖對麥芒’。”中科院光電所黨委書記、地面望遠鏡系統行政總指揮楊虎表示，我國自主研制的量子科學衛星地面望遠鏡系統，在國際上首次完成了寬光譜、高效率、高保偏、高精度的望遠鏡光學系統和速度動態范圍大、抗擾能力強的望遠鏡伺服控制系統，以及工作狀態可配置的望遠鏡操控系統。其中，跟蹤精度、指向精度和信號光高保偏等，均達到國際先進水平。
“目前，地面站對準衛星的運行精度達到1角秒。”望遠鏡技術總指揮黃永梅解釋說，如果將手表表盤刻度均分為360度，再將其中1度均分為3600份，其中一份就是1角秒。目前地面望遠鏡系統跟蹤精度達0.2角秒，相當于在500公里以外，指一束激光到衛星上，其光束的晃動范圍僅0.5米左右。
在量子通信實驗中，地面望遠鏡達到上述條件后，僅相當于接通了星地之間的“電話線”，要開展量子通信等實驗即讓“通話內容準確送達”，地面望遠鏡系統還面臨高同軸度、寬光譜、高保偏等要求。
望遠鏡系統光學總裝中心主任古斌說，量子通信實驗中，地面站與衛星間要不斷發射或接收多束光路，同時用于量子密鑰分發、糾纏實驗或信標光等。為此，地面站必須保證每一束光路能夠絕對平行地“整齊”指向衛星，即實現高同軸度。目前，這套自主研制望遠鏡系統同軸度已達到5個微弧度，即多路光束同時指向1000公里外的目標后，它們之間的距離偏差不超過5米。而“高保偏”是指量子光子由衛星分發后，望遠鏡保證光子的偏正態不會被改變；“寬光譜”則是望遠鏡能夠識別量子光束、激光等不同光譜的多種光路。
目前，該系統還在國際上首次實現了同一臺望遠鏡同時完成量子通信、相干激光通信以及天文觀測等多種任務。“‘墨子號’在軌期間，望遠鏡可同衛星通信終端聯合開展星地量子通信實驗、高速率相干激光通信實驗。實驗任務結束后，它還可作為天文望遠鏡對空間目標進行巡天觀測。”黃永梅說。
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