申城先锋 | “墨子号”英雄：研制两项有效载荷的技术中坚力量

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。随着，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。

图说：中国科学院上海技术物理研究所量子科学项目团队在实验中　新民晚报记者 孙中钦摄

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……

为创新   “土办法”也管用

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。”王建宇回忆到，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。

新民晚报记者 马亚宁 实习生 冯琪