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天地为幕,让光子在空间“舞蹈”
2018年08月20日 11:12   来源:解放日报  

  以天地为幕,让光子在空间“舞蹈”——这曾经是一个梦想,如今“墨子号”量子科学实验卫星已在空间正常运行两年。由于卫星的出色工作,科研人员仅用1年时间提前完成科学目标,实现了星地之间千公里级量子纠缠、密钥分发及隐形传态,入选2017年度中国科学十大进展榜首。

  量子卫星首席科学家潘建伟坦言,在卫星研制中,最困难的环节就是有效载荷。中科院上海技术物理研究所作为量子卫星载荷总体单位,牵头研制了2个主要有效载荷,即量子密钥通信机和量子纠缠发射机,这支团队勇闯“无人区”,取得了多项国际领先的重大科研成果。

  大胆突破,超过预设科学目标

  “这些学生娃什么都不懂,能把量子卫星载荷做出来?”一位航天专家当年在对量子卫星工程常务副总师王建宇的言语中流露出担忧。那时的王建宇其实心里也没底,尽管有过做激光通信的经验,但量子卫星的原理性论证,没有任何东西可以借鉴。2008年,王建宇带着上海技物所一支平均年龄不到30岁的年轻队伍,埋头钻研了起来。

  量子卫星载荷研发,遇到的困难比想象的还要多。量子卫星载荷的偏振精度要求控制在0.5%到1%,这样才能确保信号编码“不走样”。“当时真的压力很大。”上海技物所光学镀膜研究室主任刘定权说,光子通过光学仪器表面时状态会发生变化,这就需要不断去测量,并对其镀膜修正。其难点在于,要对几十片不同功能的镜片分别进行薄膜厚度和膜层叠加设计,进行精准控制。这一难题困扰了团队一两年时间,最终,他们在工艺上进行了大胆突破,单个镜片的对比度达到1万∶1以上,载荷偏振精度达到千分之三,超过了原先设定的科学目标,这些在国外报道的文献中从来没有见到过。

  路虽远行则至。这支团队不仅实现了光子在空间的“舞蹈”,而且舞步优美。在一次项目评审会上,那位航天专家又特地找到王建宇,“没想到这些年轻人学得这么快!”

  没有99%,必须做到万无一失

  “对于做航天工程的人来说,没有99%,必须做到万无一失。”这是采访时听到最多的一句话。

  团队里的每个成员经常需要解答一道特别的“题目”,那就是思考可能会有什么故障,预案是什么。“为了杜绝可能出现的意外,我也锻炼出了看护孩子时防患于未然的能力。”电子学设计师强佳笑着说。

  为了做到万无一失,卫星产品要经过严格的测试,包括大于单机10倍重量的力学振动试验、峰值为单机600倍重量的冲击试验、边界温度零下200多摄氏度的真空试验等。上海技物所研制的量子卫星有效载荷第一代产品,在做完这些测试后“遍体鳞伤”。当时的压力可想而知,他们花了3个月时间推倒重来。

  2016年6月,量子卫星顺利通过出厂评审,但在最后一次测试中发现一个激光器的能量变小了。这也许只是性能的波动,但绝不能让卫星带着问题上天。在几家相关单位联合攻关下,终于从原理上彻底解决了问题。

  韧性和努力,关键技术实现突破

  “在青海湖的两年时间里,我们跑遍了地图上的每个地点。”作为量子密钥通信机这一最大载荷的主任设计师,张亮在2008年还是一名研究生。那时,他常想“能在太空中发射激光”的卫星,会不会是夜空中最亮的星?

  青海湖是个理想的实验场地,天气好的时候能看清对面100公里外的山头。青海湖,也见证了这支队伍的韧性和努力。即使在10月,这里的夜间温度也在零摄氏度以下,他们穿着军大衣,顶着寒风在山顶做实验。

  连续15天,没怎么睡觉,修好断成三截的设备,这是有关青海湖记忆里最惊心动魄的一幕。2010年10月的青海湖,已是大雪封山。他们租了辆车,想把设备运到山顶做实验。司机在盘山路上开得很猛,设备一下被甩了出去,当场断成三截。光学设计师吴金才事后回忆,在设备研制过程中,看着设备从一块块元部件不断地组装起来,就像看着自己的孩子慢慢长大。大家既难过又害怕,坐在山上哭了起来。王建宇接到电话,安慰说:“大不了明年再做。”但这群年轻人下定决心,实验不做完就不回去!第二天,研究员贾建军赶到青海支援,经过大家15天的努力,设备被修好并重新投入到实验中。

  在这样的条件下,世界上首次浮空平台和近百公里的量子密钥分发实验,在青海湖畔完成。这也标志着我国突破了建立星地量子通信的关键技术。

  2016年8月16日,量子卫星成功发射。第一次看到现场传回来的图片时,张亮流下了眼泪,“它比我想象中还要美,确实是夜空中最亮的一颗星。”(解放日报记者 黄海华)

注:请在转载文章内容时务必注明出处!   编辑:王丹沁

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