作者:朱泰来 黄辛 来源:中国科学报 发布时间:2018/8/21 11:26:09
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“路虽远,行则至 事虽难,做必成”
记中科院上海技物所量子科学卫星有效载荷团队

 

■本报见习记者 朱泰来 记者 黄辛

时间和空间,非凡却又平凡。它们是哲学世界中联系世间万物的线索,是物理学家的星辰大海,却也是每一段回忆的坐标轴和里程碑。

“我们用了10年时间,把空间量子通信实验从十几公里做到100公里再到1200公里;从实验室做到青海湖,再到万米高空的星地之间。”在量子科学实验卫星“墨子号”发射成功两周年之际,中科院院士、量子科学实验卫星工程常务副总师、卫星总指挥王建宇回忆起这段奋斗岁月时依然感慨:“那是一个不断打破不可能的过程。”

2016年8月16日,我国发射全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”。卫星上搭载4个有效载荷,其中一半由中科院上海技术物理研究所(以下简称上海技物所)牵头研发。科研人员突破了卫星与地面站微弧度高精度跟瞄、高保偏量子信号偏振调制等一系列核心关键技术,使得我国在量子通信技术激烈的国际竞争中抢占主动权。主要科学成果——“实现星地千公里级量子纠缠和密钥分发及隐形传态”位列2017年度中国科学十大进展榜首。

那又是什么让不可能变为可能?

“路虽远,行则至。事虽难,做必成。”量子科学实验卫星纠缠发射机主任设计师贾建军说。

聚灵气——优势互补协同攻关

“墨子号”上搭载4个有效载荷——上海技物所牵头研制量子密钥通信机和量子纠缠发射机,中国科学技术大学牵头研制量子纠缠源、量子实验控制与处理机。

走通天地量子科学实验之路并非易事。空间量子实验设备的研制要求极高,卫星与地面站的微弧度高精度跟瞄、高保偏量子信号偏振调制、近衍射极限量子光发射、高精密量子纠缠光源的航天工程化等一个个载荷工程研发中最难、最核心的技术问题都成了拦路虎。

“科学家发扬孜孜不倦的探求精神,工程师要用严慎细实的航天研发精神,稳扎稳打。”量子卫星副总设计师、有效载荷总体主任设计师舒嵘说。

上海技物所工程研发团队与中科大科学家团队取长补短,优势互补。以高保偏量子信号偏振调试为例,“光子信号一旦通过光学仪器表面,传播状态就会改变。而整个量子卫星的光学链路中有数十个表面”。上海技物所光学镀膜研究室主任刘定权解释说,“膜层错1纳米,就会造成误码”。最终,研究团队利用在空间激光主动探测、空间运动部件与光学研制方面的技术优势,在镀膜工艺上进行大胆突破,实现了上万比一的分色片镀膜,同时采取相位延迟互补、残差补偿等多个设计手段,成功将整机偏振提高到300:1以上,确保了量子卫星的传输信号准确无误。

拼勇气——迎难而上,敢为人先

团队面临的另一技术难题是卫星与地面站的微弧度高精度跟瞄。

量子密钥通信机是“墨子号”上重量最大、体积最大的一个载荷。当它在太空中分发量子密钥时,必须穿越厚厚的大气层,将一个个光子从天上准确发到地面,相当于从万里高空往旋转的储蓄罐里扔硬币。

如何让量子卫星练就这一身万无一失的天地跟瞄技术?团队曾连续3年到青海湖,在各种极端条件下模拟太空环境,做外场实验。

青海湖是个理想场地,天气好的时候能看清对面100公里外的山头,可是实验却没那么“理想化”。科研人员不仅要自己搭帐篷、生火、做饭,还要长途跋涉寻找最佳试验点。

“为了充分试验验证,我们跑遍了地图里的每个地点。”量子密钥通信机主任设计师张亮回忆说,“困难层出不穷,但是办法总比问题多。”

勇气是解决困难的智慧,也是宽容失败的从容。

2010年中秋节,他们像往年一样往山上运设备,谁也没想到在汽车急转弯时,设备被甩到了路边,断成了三截。

“我们在悬崖边上哭成一团,纷纷自责没把我们的‘宝贝’给看好。”而让张亮意外的是,电话那头的王建宇在得知实验队员没受伤之后,竟安慰大家“没关系,大不了明年再来”。

“我们的队员那才是‘宝贝’。”王建宇回忆道,“有他们在,什么困难都不是问题。”

他们没有等到来年,决定哪里跌倒就从哪里爬起来。经过15天不眠不休的奋斗,队员们用超乎想象的韧劲修好了设备,完成了世界上第一次基于热气球的量子通信实验。相关成果发表在国外著名学术杂志上,被国际同行评价为“人类向星地量子保密通信迈出的重要一步”。

有朝气——赤子之心永在路上

这是一支有朝气的队伍,平均年龄34岁,许多人加入时还不到30岁。

而朝气又不完全与年龄有关。

“50后”的王建宇,“70后”的舒嵘、贾建军,“85后”的张亮,讨论起工作可谓“没大没小”。

“从院士到博士生,大家互为师生、一律平等。无论谁碰到了问题,都不遮遮掩掩,全摊在台面上,头脑风暴,谁对听谁。”舒嵘说。

在青海湖,他们脑洞大开,设计了一系列“五花八门”的试验。

“我们租了各种车,有皮卡车、拉羊的车、大吊车。”张亮回忆道,甚至有一天,当他们做完夜间实验补完觉醒来时,竟发现王建宇在清洗一辆准备做实验的垃圾车。

“我们自创了很多‘土办法’。”王建宇笑着说,“不少还挺管用的。”

可是越往无人区纵深挺进,压力越是常人难以现象。尽管地面实验成功了,可是还须经过10倍力学振动、边界温度-200℃真空实验、峰值600倍的冲击等挑战,才能保证零失误。

也曾遇到过整个项目几乎推倒重来的“至暗时刻”。团队的相互扶持却也总是乌云旁的“金边线”。

“那时候我们经常听《夜空中最亮的星》,共同憧憬着卫星发射时该有多美。”张亮坦言,当他看到卫星成功发射后的第一手数据和图片时,难忍激动的泪水,“因为它比我想象中还要美”。

当被问及一路走来最大的难题时,这支朝气蓬勃的团队陷入了深思。

“我想应该是下一个任务。”贾建军打破沉默,“最难的永远是下一次挑战。”

《中国科学报》 (2018-08-21 第1版 要闻)
 
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