上海青年科研团队成功研制量子科学两项有效载荷

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原标题:从“寂寂无名”到“全球领跑”上海青年科研团队成功研制量子科学两项有效载荷

图片说明:中科院上海技术物理研究所量子科学卫星有效载荷研制团队在工作

量子科学,这个曾经吸引着爱因斯坦、薛定谔、波恩、海德堡等无数科学伟人,当下又是国际前沿科技你追我赶的科研领地,终于迎来了一支响当当的中国科学家团队。

2016年8月,全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”升空,开启了全球量子通信网络的征程。一年后,利用“墨子号”量子科学实验卫星,中国率先在千公里级的空间尺度下,验证了爱因斯坦称之为“鬼魅般的远距作用”的量子力学现象。随后,量子密钥分发、量子纠缠分发、量子隐形传态三大科学实验任务圆满完成,我国站在了国际量子科技创新制高点,为全球化量子通信、空间量子物理学实验检验奠定基础,实现了从“寂寂无名”到“全球领跑”的飞跃。

作为“墨子号”卫星载荷分系统的技术中坚力量,中国科学院上海技术物理研究所量子项目组青年团队,成功研制量子密钥通信机和量子纠缠发射机两项有效载荷,攻克了建立低损耗、高可靠的星地量子通信光电链路等科学难题。这支平均年龄仅33岁的年轻科研团队,在薪火相传中发扬特别能吃苦、特别能战斗的“航天精神”,并于去年获得上海市劳模集体的殊荣,是当之无愧的“墨子号”英雄。

千里之行始于足下

量子通信利用量子力学基本原理、量子系统特有属性以及量子测量方法来实现信息传递,是国际上量子物理和信息科学的研究热点。早在2007年,中国科学院就开始前瞻性的部署科研项目,集中开展星地量子通信关键技术攻关。以中科大潘建伟院士为首的科学家团队,负责实验的基础理论研究与攻关。空间载荷的工程化攻关重担,则落在了上海技物所王建宇院士领导下的量子项目组。

外行人眼中,科学家和工程师都是搞科研,区别不大。实际上,工程化和基础研究,隔着千万次的成功实验。“对科学家来说,无数科学实验中,有一次成功,就是成功;而对于工程师,只有百发百中才是成功。”时隔多年,量子纠缠发射机主任设计师贾建军研究员仍记得,与科学家团队签订工程化任务书时,手中的签字笔沉甸甸的。

“在卫星上实现量子通信系统、星地捕获对准跟踪(APT)系统及光机系统、卫星平台的两维姿态机动和控制等关键技术攻关,前人没做过,自己能不能成功,确实心中没谱。不过,再遥远的路,一步步走,也能走到;再不可及的目标,一点点靠近,也会实现。”

关于量子纠缠实验,国际上只有百公里范围内的实验。要在空间尺度下验证量子纠缠,听上去很玄乎,让人难以下手。为了验证空间高精度捕获对准跟踪技术,王建宇院士带领团队从“笨办法”入手:先在两个实验室间,完成百米实验;再走出实验室,利用实验楼和周边建筑,设计两公里试验场;成功后,走出市区,走向昆山,完成4公里间的跟踪试验;之后,才敢走出上海,来到成都,把地面试验拉长至10公里、20公里、40公里……

用“土办法”也能创新

地面上能做的静止实验都穷尽了,团队开始寻找动态悬浮环境。行驶的卡车,漂浮的热气球,直升机平台,甚至连大吊车、垃圾车都派上了用场。2008年10月,王建宇院士带着张亮等几个研究生踏入青海湖,开始近百公里的仿卫星运动实验。

最开始,用到的是吊车,但是吊车震动对测量精度有影响。后来,大家又想到个“土办法”。“让张亮趴在热气球里面,模拟空间环境。但这个真正要做的时候,特别是晚上,非常不容易。”王建宇回忆道,青海湖的夜晚,气温低,风又大,有一次张亮在热气球里,突然飞升至近30米,把大家都吓坏了。最终,这个有点“异想天开”的模拟实验,还真成功了——世界上首次浮空平台量子密钥分发实验,在青海湖畔完成。

“其实,创新未必就是先进仪器设备,高大上的环境配套。为了解决问题,用足脑筋,想尽办法,就会有创新。有时,笨办法、土办法,也是很管用的。”王建宇说。

十年蛰伏敢为人先

“墨子号”上,共搭载4个有效载荷,其中上海技物所牵头研制量子密钥通信机和量子纠缠发射机。由于载荷的要求极高,控制精度和稳定性都是令人头疼的事儿。实现一个宽光谱范围的量子调控,要保证编码在通过整个光链路的每一个环节时,都要保真。

“这好比我们看3D电影时戴的偏振眼镜,偏振光通过界面时,可以被分解为垂直和水平的两个矢量,而这两个矢量要保持同步,画面才能不失真。量子空间实验中,每一颗光子要通过几十层个界面,每通过一层面时,都必须不走样,难度异乎寻常。”光学镀膜研究室主任刘定权研究员介绍说。

为此,团队在工艺上尝试大胆地突破,实现了上万比一的分色片镀膜,再结合多手段的偏振调控方法,解决了偏振配准与保持这只“拦路虎”。同时,为保证振动试验后载荷中的数十个光学元件不得出现哪怕1微米的变化,经几十次重复实验,才找到符合要求的工艺。

“我们还发现单光子探测器上天之后只能用一个星期,而卫星的寿命是两年,”张亮说道,“好在通过我们与科学家团队紧密配合,分析发现探测器的寿命是跟温度是有关系的。我们就从温度下手,做了大量的降温措施,最终,把探测器的工作温度降低了50多摄氏度。目前探测器已经在轨两年,仍可以使用。”

路虽远,行则至。已经站在了国际前沿的上海技物所量子卫星有效载荷团队,又站上了新起点。“科学研究,永远在路上,不进则退。”贾建军说,“墨子号”刚刚交上了一份高分答卷,团队就接到了另一份更难的全新科学试卷:让量子空间实验能在中高轨卫星上实现,并从短暂的几分钟时间扩展到几小时,继续拓荒创新无人区。

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责任编辑:桂楷东
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