世界第一顆量子衛星誕生前的那些事

                          2018-09-21 20:44:45 來源: 科學網 作者: 倪思潔

                          曾經有十多年,徐博明每天思考和接觸的都是遙感氣象衛星。曾經作為我國風云二號系列衛星的總指揮,徐博明帶著團隊把一顆顆氣象應用衛星送上了天。

                          如今,徐博明辦公室的書架上,一個個氣象衛星模型,一摞摞衛星技術、氣象研究相關的書籍,蘊藏著當初的榮光。衛星模型的旁邊,幾本量子物理的書顯得有些另類——《上帝擲骰子嗎?》《光論》……

                          2010年底,年過六旬的徐博明接到了一份來自中國科學院的特殊邀請,之后,他成了世界第一顆空間量子科學實驗衛星“墨子號”的工程總師。

                          “墨子號”量子科學實驗衛星(中科院國家空間科學中心供圖)

                          從零開始學習量子力學

                          2011年1月,中國科學院空間科學先導專項一期啟動實施。量子科學實驗衛星“墨子號”項目位列其中。

                          就在項目啟動前,2010年底,時任中國科學院副院長的陰和俊找到了徐博明,邀請他出任量子科學實驗衛星的工程總師。

                          對于量子科學實驗衛星提出的科研目標,徐博明感到好奇。“我是搞遙感衛星的,對對地觀測衛星比較熟悉,對量子不太懂。”徐博明回憶。

                          從未做過科學衛星的徐博明知道,他要做的第一件事是理解科學。于是,徐博明向中科院提出了一個要求:幫他弄懂量子通訊到底在做什么。

                          徐博明在“墨子號”在軌交付儀式上講話(中科院國家空間科學中心供圖)

                          量子力學的晦澀難懂幾乎是公認的。連量子論的奠基人之一玻爾都曾說:“如果誰不為量子論而感到困惑,那他就沒有理解量子論。”

                          不過,徐博明還是從零開始,學起了量子力學。“科學衛星的工程總師是要做事的,不理解科學不行,所以后來,中科院專門給我介紹了一次,中國科學技術大學的團隊又給我講解了一次,他們還給我開出了推薦書目,慢慢地我就基本上弄懂了。”徐博明說。

                          新技術帶來新難處

                          “和應用衛星不同,科學實驗衛星采用的是有難度的先進技術而不是成熟技術,并且只有一次機會。”徐博明說。

                          以往,量子糾纏態實驗都是科學家在地面上做的,精度容易控制,而現在,這些儀器不僅要被搬到天上去,而且不容許光路、光子偏振度等有絲毫偏差。這意味著衛星研制人員對衛星的抖動問題、外太空的高低溫問題等必須有十足的應對把握。

                          “衛星和地面要建立鏈路,無異于‘針尖對麥芒’,對衛星對準技術、時間同步技術提出了極高的要求。”徐博明說。

                          量子科學實驗衛星星地鏈路建立(中科院國家空間科學中心供圖)

                          量子保密通訊需要通過一顆顆帶有偏振信息的光子完成,而“墨子號”必須在運動中把一顆顆光子從500公里的外太空精準地打到一個口徑只有2米的地面光學望遠鏡上。

                          不僅如此,這一過程中,光子攜帶的偏振信息還不能衰減。“激光通訊是通過強、弱、強、弱來傳遞信息,而量子通訊是采用光子的四個態來實現通訊,信號傳遞過程中,怎么保持偏振態,就成為重大的關鍵技術難題。”徐博明說。

                          為了保證衛星一舉成功,徐博明帶領著工程團隊不斷篩選識別關鍵技術,反復開展環境模擬試驗,在技術指標上留出充足余量,讓所有關鍵技術的指標都遠高于應用所需的指標。

                          全新的技術手段,反復的地面試驗,超高的技術標準,這些都讓“墨子號”工程技術團隊面臨著巨大的壓力。

                          “理解他們,支持他們”

                          回想起“墨子號”衛星誕生的全過程,徐博明總結出了一條經驗:“理解他們,支持他們。”徐博明口中的“他們”,正是“墨子號”的工程技術和科學團隊。

                          2014年,是徐博明和工程團隊經歷了壓力最大的一年。這一年,“墨子號”進入初樣階段,可是在振動試驗中衛星出現了光路偏差,熱真空試驗中又出現了光路衰減。

                          “‘墨子號’在太空中將經歷的不確定因素太多了,經不起風吹草動,如果降低標準,科學目標實現的可能性就很小了,所以即便是拖進度,技術標準也不能降。”徐博明說。

                          量子科學實驗衛星磁實驗(中科院國家空間科學中心供圖)

                          2015年,“墨子號”進入正樣階段,工程技術團隊又發現,單光子探測器受宇宙中高能粒子“攻擊”后出現了衰減,如果不作改進,“墨子號”將只能正常運行三個月。于是,實驗團隊決定,將衛星運行軌道從原先的600公里降低至500公里,同時增強器件防護技術。隨著運行軌道的改變,運載火箭也進行了相應調整。

                          “這就是科學實驗衛星的特點,在研制過程中會不斷發現新問題,不斷調整,根本原則是‘科學先導’。”徐博明說。

                          量子科學實驗衛星正樣星(中科院國家空間科學中心供圖)

                          2016年,“墨子號”終于到了出廠的時候,可是,工程技術團隊又發現,由于裝配問題,信標光出現了大幅度衰減,于是,原本計劃在6月發射的“墨子號”又向后延了一個月。

                          “‘墨子號’的研制過程,就像《西游記》里寫的一樣,取到真經之前還得在通天河里泡一泡。”徐博明笑著說。

                          無論多么坎坷,徐博明的信念就是“絕不帶著問題出廠”。“‘墨子號’采用的全部是新技術,第一次做一定會碰到各種問題,我所做的工作就是看清楚、想明白、理解他們、支持他們,僅此而已。”徐博明說。

                          目前,“墨子號”已經在軌運行兩年,超過了設計使用壽命,而科學團隊依然在繼續進行后續在軌拓展任務,勇攀空間量子信息科技高峰。(完)

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                          責任編輯:范琪
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