【中國科學報】「路雖遠,行則至 事雖難,做必成」

2020-12-16 中國科學院

  時間和空間,非凡卻又平凡。它們是哲學世界中聯繫世間萬物的線索,是物理學家的星辰大海,卻也是每一段回憶的坐標軸和裡程碑。

  「我們用了10年時間,把空間量子通信實驗從十幾公裡做到100公裡再到1200公裡;從實驗室做到青海湖,再到萬米高空的星地之間。」在量子科學實驗衛星「墨子號」發射成功兩周年之際,中科院院士、量子科學實驗衛星工程常務副總師、衛星總指揮王建宇回憶起這段奮鬥歲月時依然感慨:「那是一個不斷打破不可能的過程。」

  2016年8月16日,我國發射全球首顆量子科學實驗衛星「墨子號」。衛星上搭載4個有效載荷,其中一半由中科院上海技術物理研究所(以下簡稱上海技物所)牽頭研發。科研人員突破了衛星與地面站微弧度高精度跟瞄、高保偏量子信號偏振調製等一系列核心關鍵技術,使得我國在量子通信技術激烈的國際競爭中搶佔主動權。主要科學成果——「實現星地千公裡級量子糾纏和密鑰分發及隱形傳態」位列2017年度中國科學十大進展榜首。

  那又是什麼讓不可能變為可能?

  「路雖遠,行則至。事雖難,做必成。」量子科學實驗衛星糾纏發射機主任設計師賈建軍說。

  聚靈氣——優勢互補協同攻關

  「墨子號」上搭載4個有效載荷——上海技物所牽頭研製量子密鑰通信機和量子糾纏發射機,中國科學技術大學牽頭研製量子糾纏源、量子實驗控制與處理機。

  走通天地量子科學實驗之路並非易事。空間量子實驗設備的研製要求極高,衛星與地面站的微弧度高精度跟瞄、高保偏量子信號偏振調製、近衍射極限量子光發射、高精密量子糾纏光源的航天工程化等一個個載荷工程研發中最難、最核心的技術問題都成了攔路虎。

  「科學家發揚孜孜不倦的探求精神,工程師要用嚴慎細實的航天研發精神,穩紮穩打。」量子衛星副總設計師、有效載荷總體主任設計師舒嶸說。

  上海技物所工程研發團隊與中科大科學家團隊取長補短,優勢互補。以高保偏量子信號偏振調試為例,「光子信號一旦通過光學儀器表面,傳播狀態就會改變。而整個量子衛星的光學鏈路中有數十個表面」。上海技物所光學鍍膜研究室主任劉定權解釋說,「膜層錯1納米,就會造成誤碼」。最終,研究團隊利用在空間雷射主動探測、空間運動部件與光學研製方面的技術優勢,在鍍膜工藝上進行大膽突破,實現了上萬比一的分色片鍍膜,同時採取相位延遲互補、殘差補償等多個設計手段,成功將整機偏振提高到300:1以上,確保了量子衛星的傳輸信號準確無誤。

  拼勇氣——迎難而上,敢為人先

  團隊面臨的另一技術難題是衛星與地面站的微弧度高精度跟瞄。

  量子密鑰通信機是「墨子號」上重量最大、體積最大的一個載荷。當它在太空中分發量子密鑰時,必須穿越厚厚的大氣層,將一個個光子從天上準確發到地面,相當於從萬裡高空往旋轉的儲蓄罐裡扔硬幣。

  如何讓量子衛星練就這一身萬無一失的天地跟瞄技術?團隊曾連續3年到青海湖,在各種極端條件下模擬太空環境,做外場實驗。

  青海湖是個理想場地,天氣好的時候能看清對面100公裡外的山頭,可是實驗卻沒那麼「理想化」。科研人員不僅要自己搭帳篷、生火、做飯,還要長途跋涉尋找最佳試驗點。

  「為了充分試驗驗證,我們跑遍了地圖裡的每個地點。」量子密鑰通信機主任設計師張亮回憶說,「困難層出不窮,但是辦法總比問題多。」

  勇氣是解決困難的智慧,也是寬容失敗的從容。

  2010年中秋節,他們像往年一樣往山上運設備,誰也沒想到在汽車急轉彎時,設備被甩到了路邊,斷成了三截。

  「我們在懸崖邊上哭成一團,紛紛自責沒把我們的『寶貝』給看好。」而讓張亮意外的是,電話那頭的王建宇在得知實驗隊員沒受傷之後,竟安慰大家「沒關係,大不了明年再來」。

  「我們的隊員那才是『寶貝』。」王建宇回憶道,「有他們在,什麼困難都不是問題。」

  他們沒有等到來年,決定哪裡跌倒就從哪裡爬起來。經過15天不眠不休的奮鬥,隊員們用超乎想像的韌勁修好了設備,完成了世界上第一次基於熱氣球的量子通信實驗。相關成果發表在國外著名學術雜誌上,被國際同行評價為「人類向星地量子保密通信邁出的重要一步」。

  有朝氣——赤子之心永在路上

  這是一支有朝氣的隊伍,平均年齡34歲,許多人加入時還不到30歲。

  而朝氣又不完全與年齡有關。

  「50後」的王建宇,「70後」的舒嶸、賈建軍,「85後」的張亮,討論起工作可謂「沒大沒小」。

  「從院士到博士生,大家互為師生、一律平等。無論誰碰到了問題,都不遮遮掩掩,全攤在檯面上,頭腦風暴,誰對聽誰。」舒嶸說。

  在青海湖,他們腦洞大開,設計了一系列「五花八門」的試驗。

  「我們租了各種車,有皮卡車、拉羊的車、大吊車。」張亮回憶道,甚至有一天,當他們做完夜間實驗補完覺醒來時,竟發現王建宇在清洗一輛準備做實驗的垃圾車。

  「我們自創了很多『土辦法』。」王建宇笑著說,「不少還挺管用的。」

  可是越往無人區縱深挺進,壓力越是常人難以現象。儘管地面實驗成功了,可是還須經過10倍力學振動、邊界溫度-200℃真空實驗、峰值600倍的衝擊等挑戰,才能保證零失誤。

  也曾遇到過整個項目幾乎推倒重來的「至暗時刻」。團隊的相互扶持卻也總是烏雲旁的「金邊線」。

  「那時候我們經常聽《夜空中最亮的星》,共同憧憬著衛星發射時該有多美。」張亮坦言,當他看到衛星成功發射後的第一手數據和圖片時,難忍激動的淚水,「因為它比我想像中還要美」。

  當被問及一路走來最大的難題時,這支朝氣蓬勃的團隊陷入了深思。

  「我想應該是下一個任務。」賈建軍打破沉默,「最難的永遠是下一次挑戰。」

  (原載於《中國科學報》 2018-08-21 第1版 要聞)

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