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[上海观察]为了光子在空间舞蹈,他们追求万无一失
| 16-08-31| 访问次数: | 【 【打印】【关闭】

  如果以天地为幕,来一场光子在空间的舞蹈,是一个有关量子卫星的科学梦想。那么,这个梦想的实现离不开卫星载荷。中科院上海技术物理研究所作为量子卫星载荷总体单位,牵头研制了量子密钥通信机和量子纠缠发射机2项主要有效载荷,并参与了卫星上其他载荷的研制工作。

  青海湖见证了他们的韧性和努力 

  “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2008年对项目负责人、时任中科院上海技物所所长王建宇推心置腹,言语中流露出深深的担忧。

  那时候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,只能“摸石头过河”。他带着几名刚本科毕业的研究生,埋头钻研了起来。

  高原上的青海湖见证了这支队伍的韧性和努力。2008年10月,青海湖的夜间温度已经降到了零度以下,飘起了雪花。王建宇带着研究生张亮等年青人,在山上搭建屏幕,再从远处打一束光过来,进行对光。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。

  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,他们“异想天开”使用了直升飞机和热气球,而这些实验从未有人做过。

  也有百思不得其解的时候。他们在住处调试好了镜头,可一拿到现场,成像就散了,糊成一片,再回到住处架上机器,又自动好了。几个来回的折腾,他们意识到忽略了温度差。现在的卫星已经完全实现了温控,可当时没有这个条件,在外场,重新在仪器增加温控设备也不现实,只能用“土办法”,如简易的加热手段、甚至用毯子把镜头包起来。通过艰苦的努力,终于把实验就做成了。

  那时候,刚研制的样机有些指标需要现场改进,个别部件稳定性不好,抗不了外场的恶劣环境条件,为了解决问题,完成试验,这群年轻人个个都成了“拆弹专家”。在简陋的临时实验室中今天拆,明天装,成了家常便饭。

  惊心动魄的事情发生在2010年10月,三进青海湖时。那时候的青海湖,由于天气寒冷,几乎看不到一个游人,附近的小饭馆也都不营业了。由张亮带队的几名小伙子,还在山顶的简易房坚持实验。天太冷,烤火取暖,除了吃干粮,还经常自己动手做饭。中秋那天,他们租了辆车,想把设备运到山顶。司机急着回家团圆,在山路上开得很猛,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,“赶紧回来吧。”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,由中科大和技物所共同合作的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。

  2011年,量子卫星正式立项。在一次项目评审会上,那位航天专家特地找到王建宇,“没想到这些年轻人学得这么快!”

  短短8年时间,张亮从一名研究生成长为量子密钥通信机这一最大载荷的主任设计师。量子卫星项目成了年轻人施展才能和抱负的舞台。上海技物所50余人参与了这一项目,其中80%是不到30岁的年轻人。

  万无一失,是他们设定的底线 

  量子卫星首席科学家潘建伟坦言,卫星研制过程中,最困难的环节就是有效载荷。

  而对于做工程的人来说,就算成功了99次,执行任务那一次失败了,就算失败了。因此做到万无一失,是上海技物所负责载荷总体的卫星副总师舒嵘研究员对研制团队设定的底线。

  为了连续测量偏振的对比度和稳定度,他们一次次熬通宵;为了赶工程进度,到了项目后期他们有默契地主动放弃了双休日;量子纠缠发射机主任设计师贾建军研究员为了确保空间环境下纠缠发射机的两维转台正常运行,他们不厌其烦一遍遍地改进,做实验,再改进,再做实验。

  上海技物所在攻关过程中,进行了一系列的自主研究,在关键技术上取得了国际领先的成果。以高保偏量子信号偏振调试为例,上海技物所结合所内镀膜专业室的优势,在工艺上进行了大胆突破,实现了上万比一的分色片镀膜,另外又采取了相位延迟互补、残差补偿、小角度入射等多个设计手段,成功将整机的偏振提高到300:1以上,他们还解决了在动态环境下的偏振基矢配准难题,这些在国外报道的文献中从来没有见到过。

  此外,团队自主发展了高精度的天地一体化跟瞄技术,天地量子通信的光轴指向精度达到国际一流水平、还自主研制了高速诱骗态量子密钥分发光源和轻便的收发整机,为实现天地量子通信打下了坚实技术基础。

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