上海技物所量子科学实验卫星有效载荷研制团队 自主研制突破核心关键技术

图片说明:中科院上海技物所量子科学实验卫星有效载荷研制团队正在实验室里讨论

对科学家而言,做100次实验,成功一次就算成功了;对工程师而言,做1000次实验,失败一次就算失败了。在航天卫星领域更是如此,工程师们唯有用百分百的成功,才能换来科学家们成功的可能。科学家们提出设想和构想,工程师则进行定制化装置设计,正是这种开创性的互补合作形式,让我国航天技术不断取得国际领先。

2016年8月16日,世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空,我国成为世界上第一个实现星地间量子通信的国家。作为完成卫星量子密钥通信机和量子纠缠发射机2个有效载荷研制工作的团队,中科院上海技术物理研究所量子科学实验卫星有效载荷研制团队,围绕建立低损耗、高可靠的星地量子通信光电链路重大难题,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、近衍射极限量子光发射等核心关键技术。

从无到有开展自主研究

“我们整个研究团队研究从无到有,一方面吸收采纳国内外的相关先进成果,另一方面开展一系列的自主研究,在相关关键技术上取得了国际领先的成果。”量子科学实验卫星工程常务副总师、卫星总指挥王建宇说,空间量子实验设备的研制要求极高,比如卫星与地面站的微弧度高精度跟瞄、近衍射极限量子光发射……以高保偏量子信号偏振调试为例,上海技物所在镀膜工艺上进行大胆突破,实现上万比一的分色片镀膜,同时采取相位延迟互补、残差补偿、小角度入射等多个设计手段,成功将整机偏振提高到300:1以上。

在长达近10年的日复一日的合作中,科学家们学会了工程管理的一套规章制度,做事有依据有规程,工程师们在实践中历练提高了理论分析能力,从科学的视角和方法对待发生的技术难题。

青海湖畔见证韧性和努力

10年的研制,也让整个团队的年轻人得到了迅速成长,“80后”张亮从研究生进所,如今成长为主任设计师,整个以“80后”为主的团队也成为各个岗位的骨干。“卫星与地面站之间相距1000多公里,我们需要保证高度准确的激光对准,就相当于从上海打一束光到北京,而且要能打到指定的一扇窗户、不能动。”这支团队为了保证实验的可行性与精准性,足迹从上海、昆山、成都,一路走到了高原上的青海湖。

2008年10月,青海湖的夜间温度已经降到了0℃以下,飘起了雪花。王建宇带着当时还是研究生的张亮等年轻人,在山上搭建屏幕,再从远处打一束光过来,进行对光。“刚开始的时候,实验的手段非常简陋,只能在不同的山头各打一个手电筒来引导激光的对准。”张亮回忆说,第二次进青海湖是在2009年9月,这一次做的是40公里仿卫星运动实验,为了模仿天地通信条件,甚至“异想天开”地使用了热气球,这些实验从未有人做过。

最惊心动魄的事情发生在2010年9月底,那是第三次进入青海湖,由于天气寒冷,几乎看不到一个游人。张亮带着几个小伙子在山顶的简易房坚持实验,“天太冷了,我们不得不烤火取暖,除了吃干粮,还经常自己动手做饭。”中秋节那天,他们租了辆运送牲畜的敞篷车,想把设备运到山顶,司机急着回家团圆,在山路上把车开得很猛,结果一不小心翻车了。所幸人无大碍,但设备摔坏了。王建宇接到张亮的电话,听声音小伙子都快要哭出来了,让他们“赶紧回来”。但这群年轻人经过商量,决定动手修复设备,“实验不做完我们就不回去!”

就是在这样的条件下,世界上首次浮空平台和近百公里的量子密钥分配实验在青海湖畔完成。这也标志我国突破了建立天地量子通信的关键技术。

助力“千公里级量子纠缠”

如何证明和检验被爱因斯坦称之为“鬼魅般的远距作用”的量子纠缠这种奇特的量子力学现象?2017年6月16日,《基于卫星的纠缠分发距离超过1200公里》以封面论文的形式发表在国际权威学术期刊《科学》杂志上,通过“墨子号”向地面发射光子,每对处于纠缠状态的光子中的一个发向青海德令哈站,另一个发向云南丽江站,两个地面站之间的距离达到1203公里。这是世界上首次实现千公里量级的量子纠缠,而纠缠分发的两个光子就是通过上海技物所研制的两个核心载荷量子纠缠发射机和量子密钥通信机发出的,这在空间量子物理研究方面取得重大突破。

中科院上海技术物理研究所量子科学实验卫星有效载荷研制团队实现了量子卫星要求的全部核心指标,使我国在量子通信技术激烈的国际竞争中抢占主动权,在实用化和产业化整体水平上保持和扩大国际领先地位,具有重要战略意义和重大国际影响。



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责任编辑:桂楷东
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