中科院上海技物所量子卫星载荷团队勇闯创新无人区,挑战科学高峰2018-08-20来源 : 信息快讯网
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中科院上海技物所量子卫星载荷团队勇闯创新无人区,挑战科学高峰-信息快讯网

中科院上海技术物理研究所量子科学实验卫星有效载荷研制团队正在进行光学测试。袁婧摄

就在四天前,我国首颗量子科学实验卫星墨子号迎来发射升空两周岁“生日”。一周岁“生日”时,它就圆满完成了原本计划两年完成的三大科学目标。如今,它已达到设计使用寿命,却依然“体格”健壮,还能在轨工作相当长时间。

在地面上,墨子号研制功臣之一——中国科学院上海技术物理研究所量子科学实验卫星有效载荷团队已在厉兵秣马,准备向更高目标进军。卫星总指挥、中国科学院院士、上海技物所研究员王建宇说,墨子号只是在近地低轨道上验证了科学原理,但要实现业务化、常态化,需要能够时刻“凝视”地面的中高轨量子通信卫星。“十年前,我们感觉墨子号是一座难以逾越的高峰,如今却已经看到山那边更绚烂的风景。我们就是要永远挑战最难的任务!”

把“不可能”变成“挑战更难”

在星地之间,试验千公里量级的量子密钥分发、验证量子纠缠现象、实现量子隐形传态,是墨子号要完成的三项主要科学任务。把这些高精密度的仪器搭载到飞行速度每秒8公里的卫星上,利用每天飞过基站的那不到10分钟时间,以最快速度与地面基站对准,还要完成实验,这真是超级科研难题。

有着近二十年航天经验的量子纠缠发射机主任设计师贾建军研究员,对签下卫星项目技术指标“军令状”的那个下午,依然记忆深刻。“墨子号载荷的指标参数多,性能要求高,尤其苛刻。不过,签下任务书的时候,我相信,路虽远,行则将至。不做,就永远不可能做到。”

话虽如此,可每前进一步,都困难重重。一个光子从产生到发射向地面,要经过近二十道光学玻璃,每一道都可能使它的状态发生改变。如何让它顺利穿过仍然状态如初?技物所光学镀膜研究室主任刘定权绞尽了脑汁。要让光子保持相位不变,能量损失尽可能小,就只有靠薄膜来对光学器件进行校正、辅助,一层层薄膜镀上去,最多要镀100多层,每层的厚度以纳米计,误差甚至只有几层原子。“当时真觉得压力特别大。真的做成后,现在反而有了更多追求。”他说。

“土办法”打开前沿创新路

创新,就是在前任没有走过的地方,踩出一条可以让后人跟随前进的路。“九死一生”的开拓者,并没有旁人想象中的潇洒倜傥,甚至还会有些狼狈。王建宇说,当初带着仪器去青海湖做外场实验时,这些不到30岁的年轻科研人员,就想出了好多急中生智的“土办法”。

从 2008年到2010年,当时还是博士生的量子密钥通信机载荷主任设计师张亮和师兄弟们不知跑了多少次青海湖。试验队经常从7月的旅游旺季,待到大雪封山。

为了模拟载荷在卫星上飞行的状态,他们本想租用飞机,可被告知飞机夜间不能在青海湖上飞行。改用高空气球?被告知放出去不一定能确保回收。几经周折,他们决定用热气球。没想到,第一次夜里施放气球,地点正选在一个风口。气球忽然一下飞上去20多米,回收时又忽然砸向地面,把张亮吓得不轻。

更惊险的是,2010年中秋节前夕,他们租用了一辆当地拉羊的敞篷卡车运送原理样机上山试验时,卡车在山路上一个急转弯,竟将重达上百公斤的原理样机给甩落到山沟里,想拉住设备的博士生张明也被带飞出去。“幸好人没事,可设备摔成了三截。”光学设计师吴金才说,那真是比自己孩子摔伤还难受。后来,贾建军和周辉博士带着几乎半个实验室的设备和材料赶到青海,和他们一起重新修复了样机。

2014年本科毕业加入团队的90后小伙王天洪说,工作头一年的春节假期就加班到凌晨一两点钟,铺着海绵垫子睡在实验室地板上。“我的生活中没有别的,只有一件事——干载荷!”

意外出在上百项应急预案外

地面上所有的辛苦,都是为了保证设备上天后的正常工作。为此,研发团队为载荷做了上百项应急预案,尽力杜绝一切隐患。载荷电子学设计师强佳开玩笑说,经历了如此事无巨细、算无遗策的考虑,自己看护孩子的本领也提高了。

可意外总出现在想不到的地方。墨子号上天后,只过了两三个月,就出现了光学偏振性能下降的问题。怎么会这样?经过整整一个多月的排查,团队工程师们从20多个光学元件中定位到了“问题镜片”。

卫星还处于在轨测试期,未来可怎么工作?与中国科技大学科学家一起,研发团队开始了一次“天地大修补”。通过精确计算镜片的相位偏差,科研人员设计出可安放在地面接收站的校正设备,补偿了受损镜片的误差,使得后续实验得以顺利展开。

王建宇说,尽管他们主要负责墨子号四个主要载荷中的两个,可无论哪一个,离开了中国科技大学、中科院上海光机所,以及上百家合作单位的通力合作,都难以达成最后任务——只有团结合作,才有中国科学的突破。

团队小传

中国科学院上海技术物理研究所量子科学实验卫星有效载荷研制团队,一个平均年龄33岁、党员比例50%的年轻集体。十年来,他们瞄准国际最前沿科技,牵头承担卫星上量子密钥通信机和量子纠缠发射机两项研制工作。

团队突破多项核心关键技术,取得国际领先的重大科研成果;保障量子卫星核心指标的实现,以及星地量子通信实验顺利进行,对于我国在量子通信技术的国际竞争中抢占主动权具有重要意义。

作者:许琦敏

责任编辑:李勤余

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