福彩3d字谜双彩论坛 > 科技奖励 >

在量子科学“无人区”闯出一条创新之路

在量子科学“无人区”闯出一条创新之路

“墨子号”上搭载四个有效载荷,一半由上海技物所牵头研发。(上海技物所供图)

  一道绿光,从数百上千公里外的天空传来,这是世界上首颗量子科学实验卫星“墨子号”向地球发来绚丽又科幻的“问好”,隐藏在绿光中发送的纠缠光子对蕴含着奇妙的量子信息。

  量子通信是当今世界量子物理和信息科学的研究热点,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”,上面搭载四个有效载荷,一半由中国科学院上海技术物理研究所(简称“上海技物所”)牵头研发。

  十年光阴倏忽而过,从前瞻布局到成功发射,在量子科学“无人区”闯出一条创新之路,这支平均年龄34岁的年轻团队做到了。

  ■冲击不可能,挑起攻克技术难题的重任

  当2007年中国科学院布局量子通信时,国外也有不少团队正在同一条跑道上攻坚克难,但还没有人做出东西来。为何?难度太大了!

  在太空中分发量子密钥?那得穿越厚厚的大气层,将一个个光子从天上发到地面,还得准确无误地接收。中国科学院院士潘建伟最初提出这个设想的时候,很多人都认为是天方夜谭。由中国科学院领导牵线,他找到了时任上海技物所所长王建宇。

  认真研究了幸运28方案后,王建宇认为理论上可行,但落到实际操作层面,几乎所有设计都得扣着理论极限,容不下一丝偏差。

  以“墨子号”上重量最大、体积最大的一个载荷量子密钥通信机为例,它的工作原理就如同从万米高空飞行的飞机上,连续不断地把一枚枚硬币准确投入地面上一个旋转着的储蓄罐的投币口内。

  上海技物所量子卫星载荷研制团队还是挑起了这一重任,一方面吸收采纳国内外相关先进成果,另一方面开展自主研究。他们利用自己在空间激光主动探测、空间运动部件研制与控制上的技术优势,实现上万比一的分色片镀膜;他们又和中国科学院上海微小卫星创新研究院团队携手,将卫星和地面的跟瞄精度做到了小于3.5微弧度……回想起那段“冲击不可能”的岁月,王建宇说那种满足感和成就感,值得一辈子回味。

  ■完成世界首次浮空平台和近百公里量子密钥分配实验

  技术要经过充分验证,才能证明它的可行性。2009年,还在上海技物所读研究生的张亮作为技术试验队队长来到青海湖,做“从飞机上往地面的储蓄罐里扔硬币”技术的实验。环境的艰苦还是超乎大多数人预料,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。

  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,整个设备被甩到了地上,摔成三节,所有人都傻眼了,张亮一个人走到悬崖边默默抹眼泪。王建宇接到张亮的电话,第一句话便问“有没有人受伤”,第二句话则安慰道“没关系,大不了明年再来”。

  没有等到来年,仅仅过了15天,这支队伍几乎不眠不休,用幸运28超乎想象的韧劲修好了设备,用年轻人的异想天开,以热气球的方式完成了世界首次浮空平台和近百公里的量子密钥分配实验,相关成果发表在英国《自然》杂志。

  回想起那段岁月,张亮似乎还能闻到那晚大家围坐在火堆旁边吃烤土豆的香味。“那时几乎每顿晚饭都是烤土豆,香得不得了。”

  ■平均年龄34岁,在世界舞台上唱响奋斗之歌

  这是一支年轻的队伍,26位男生,4位女生,平均年龄34岁,许多人加入时还不到30岁。量子卫星四大载荷的四位主任设计师中,三位是“80后”,其中,张亮还是“85后”。王建宇之所以敢把担子交给年轻人,源于团队长期以来的人才培养机制。“一定要给年轻人奋斗的舞台。”他说。

  尽管地面实验成功了,设备要保证在太空中“万无一失”,还需经过10倍力学振动、峰值600倍的冲击、边界温度-200℃真空实验等苛刻挑战,第一代产品性能严重下降,整个项目几乎要推倒重来。

  这是每一支团队到了“无人区”必须承受的压力,因为已经没有前人的经验可以继承了,每一步都要自己踩下去、走出来。王建宇最终稳定了“军心”,帮助队伍从泥泞里走了出来。张亮说,那时我总在想象卫星发射时是多么美,这么多年的努力还未见成果,谁能轻言离开这个舞台。量子卫星副总设计师、有效载荷总体主任设计师舒嵘坦言:“虽然我们加班加点,没日没夜,但是总觉得希望就在前方,曙光就在前方。”

  这颗在天上运行的“墨子号”量子卫星也点燃了中国人的量子自信。目前,上海已将“量子通信”列入科技创新中心“22条意见”的重大战略项目,并在“十三五”科技创新规划中将“量子材料与量子通信”作为重要战略方向进行部署。在量子科学的探索道路上,上海技物所科研团队将继续发挥其系统集成与器件研发双轮驱动优势,走实创新之路。

  团队小传

  中国科学院上海技术物理研究所量子卫星载荷研制团队突破了卫星与地面幸运28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、高精密量子纠缠光源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。其主要科学成果——“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。

  (原载于《文汇报》 2018-04-30 03版)