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[上海觀察]爲了光子在空間舞蹈,他們追求萬無一失
| 16-08-31| 访问次数: | 【 【打印】【關閉】

  如果以天地爲幕,來一場光子在空間的舞蹈,是一個有關量子衛星的科學夢想。那麽,這個夢想的實現離不開衛星載荷。中科院上海技術物理研究所作爲量子衛星載荷總體單位,牽頭研制了量子密鑰通信機和量子糾纏發射機2項主要有效載荷,並參與了衛星上其他載荷的研制工作。

  青海湖見證了他們的韌性和努力 

  “這些學生娃什麽都不懂,能把量子衛星載荷做出來?”一位航天專家2008年對項目負責人、時任中科院上海技物所所長王建宇推心置腹,言語中流露出深深的擔憂。

  那時候的王建宇其實心裏也沒底。盡管有過做激光通信的經驗,但量子衛星的原理性論證,沒有任何東西可以借鑒,只能“摸石頭過河”。他帶著幾名剛本科畢業的研究生,埋頭鑽研了起來。

  高原上的青海湖見證了這支隊伍的韌性和努力。2008年10月,青海湖的夜間溫度已經降到了零度以下,飄起了雪花。王建宇帶著研究生張亮等年青人,在山上搭建屏幕,再從遠處打一束光過來,進行對光。開始的時候,實驗的手段非常簡陋,只能在不同的山頭各打一個手電筒來引導激光的對准。

  第二次進青海湖是在2009年9月,這一次做的是40公裏仿衛星運動實驗。爲了模仿天地通信條件,他們“異想天開”使用了直升飛機和熱氣球,而這些實驗從未有人做過。

  也有百思不得其解的時候。他們在住處調試好了鏡頭,可一拿到現場,成像就散了,糊成一片,再回到住處架上機器,又自動好了。幾個來回的折騰,他們意識到忽略了溫度差。現在的衛星已經完全實現了溫控,可當時沒有這個條件,在外場,重新在儀器增加溫控設備也不現實,只能用“土辦法”,如簡易的加熱手段、甚至用毯子把鏡頭包起來。通過艱苦的努力,終于把實驗就做成了。

  那時候,剛研制的樣機有些指標需要現場改進,個別部件穩定性不好,抗不了外場的惡劣環境條件,爲了解決問題,完成試驗,這群年輕人個個都成了“拆彈專家”。在簡陋的臨時實驗室中今天拆,明天裝,成了家常便飯。

  驚心動魄的事情發生在2010年10月,三進青海湖時。那時候的青海湖,由于天氣寒冷,幾乎看不到一個遊人,附近的小飯館也都不營業了。由張亮帶隊的幾名小夥子,還在山頂的簡易房堅持實驗。天太冷,烤火取暖,除了吃幹糧,還經常自己動手做飯。中秋那天,他們租了輛車,想把設備運到山頂。司機急著回家團圓,在山路上開得很猛,結果一不小心翻車了。所幸人無大礙,但設備摔壞了。王建宇接到張亮的電話,聽聲音小夥子都快要哭出來了,“趕緊回來吧。”這群年輕人經過商量,決定動手修複設備,“實驗不做完我們就不回去!”

  就是在這樣的條件下,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裏的量子密鑰分配實驗,在青海湖畔完成。這也標志我國突破了建立天地量子通信的關鍵技術。

  2011年,量子衛星正式立項。在一次項目評審會上,那位航天專家特地找到王建宇,“沒想到這些年輕人學得這麽快!”

  短短8年時間,張亮從一名研究生成長爲量子密鑰通信機這一最大載荷的主任設計師。量子衛星項目成了年輕人施展才能和抱負的舞台。上海技物所50余人參與了這一項目,其中80%是不到30歲的年輕人。

  萬無一失,是他們設定的底線 

  量子衛星首席科學家潘建偉坦言,衛星研制過程中,最困難的環節就是有效載荷。

  而對于做工程的人來說,就算成功了99次,執行任務那一次失敗了,就算失敗了。因此做到萬無一失,是上海技物所負責載荷總體的衛星副總師舒嵘研究員對研制團隊設定的底線。

  爲了連續測量偏振的對比度和穩定度,他們一次次熬通宵;爲了趕工程進度,到了項目後期他們有默契地主動放棄了雙休日;量子糾纏發射機主任設計師賈建軍研究員爲了確保空間環境下糾纏發射機的兩維轉台正常運行,他們不厭其煩一遍遍地改進,做實驗,再改進,再做實驗。

  上海技物所在攻關過程中,進行了一系列的自主研究,在關鍵技術上取得了國際領先的成果。以高保偏量子信號偏振調試爲例,上海技物所結合所內鍍膜專業室的優勢,在工藝上進行了大膽突破,實現了上萬比一的分色片鍍膜,另外又采取了相位延遲互補、殘差補償、小角度入射等多個設計手段,成功將整機的偏振提高到300:1以上,他們還解決了在動態環境下的偏振基矢配准難題,這些在國外報道的文獻中從來沒有見到過。

  此外,團隊自主發展了高精度的天地一體化跟瞄技術,天地量子通信的光軸指向精度達到國際一流水平、還自主研制了高速誘騙態量子密鑰分發光源和輕便的收發整機,爲實現天地量子通信打下了堅實技術基礎。

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