2015年新年到來之前，一則消息猶如一枚重磅炸彈，引發(fā)全球量子物理界關注。
經(jīng)過5年的研制，由中國科學家完全自主研發(fā)的世界首顆量子科學實驗衛(wèi)星，已完成關鍵部件的研制與交付，衛(wèi)星預計在2016年下半年發(fā)射，在軌設計壽命為兩年。
之所以說這個消息重磅，是因為鑒于量子科學實驗衛(wèi)星的科學目標非常前沿，科學技術難度大，雖然國際上若干發(fā)達國家也都紛紛摩拳擦掌，對這一領域發(fā)起了挑戰(zhàn)，但在將量子科學實驗送入空間方面，此前還沒有先例。
如果將全球量子通信技術攻關比作一場競賽，中國的起步顯然并不是最早的。但是，如今中國已牢牢掌握具有世界領先水平的尖端技術，并開始領跑世界。
這一跨越式發(fā)展得以實現(xiàn)，與一支數(shù)年如一日、兢兢業(yè)業(yè)為中國量子科學實驗衛(wèi)星貢獻力量的卓越的管理團隊和科研團隊密不可分。
凝心聚力 統(tǒng)籌協(xié)調(diào)
借助衛(wèi)星開展的空間尺度量子科學實驗,既有科學實驗的前沿性和創(chuàng)新性，又有航天工程的強系統(tǒng)性和高風險性。為此，中國科學院在2012年初借鑒以往我國航天工程經(jīng)驗并充分考慮科學研究與實驗的特點基礎上，任命了項目首席科學家和工程兩總（總指揮和總設計師）為核心的工程總體。隨后，中科院空間科學戰(zhàn)略性先導科技專項的總體單位——中科院國家空間科學中心組建了工程總體辦公室，作為工程總體的具體辦事機構。
從衛(wèi)星工程立項到星箭“整裝待發(fā)”，工程總體就像一支樂隊的指揮，團結(jié)帶領著整個工程隊伍，緊緊圍繞工程目標和科學目標，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)、精準發(fā)力，奏出一支激昂的“量子星”進行曲。
對于航天工程來說，質(zhì)量第一是基本原則，但對科學發(fā)現(xiàn)來說，只有第一沒有第二，因此必須“兩手抓”“兩手硬”：既要質(zhì)量也要進度。為此，工程總體深入一線、靠前指揮，對于研制過程中的重大問題及時了解、及時決策。
有效載荷指標要求高、難度大、人員新，是整個工程的重點和難點。工程兩總不滿足于聽匯報，而是經(jīng)常直接參加有效載荷的技術討論和問題分析。在研制人員遇到問題，產(chǎn)生困惑或擔心時，工程兩總往往會鼓勵大家實事求是、積極面對，即使在正樣階段發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題時，亦是如此。
中科院國家空間科學中心主任、中國空間科學先導專項科學衛(wèi)星工程常務副總指揮吳季曾說：“在地面發(fā)現(xiàn)的問題都是上帝送給我們的禮物！”他用幽默的語言鼓勵大家放下包袱，積極解決問題。工程總師徐博明還指導大家“討論問題要從基本概念出發(fā)；分析問題要有系統(tǒng)觀點；解決問題要用數(shù)據(jù)說話”。
在衛(wèi)星整個研制過程中，發(fā)生大小問題上百個，研制隊伍始終堅持嚴格按照工程總體的要求及時報告，并按照航天標準進行問題歸零。有效保證了研制質(zhì)量，同時也因決策及時避免了進度的無謂拖延。
對于影響任務成敗并且是量子衛(wèi)星特有的關鍵技術，工程總體從立項之初就組織相關單位聚力攻關，并請國內(nèi)相關專家共同把關。
在工程方案階段就提出并確立星地光路對準、偏振態(tài)保持與星地基矢校正、量子糾纏源作為工程總體級三項關鍵技術，并安排具體責任單位牽頭開展攻關，同時組織專家參與技術方案、驗證試驗和驗收評審。
在工程初樣轉(zhuǎn)正樣的關鍵時機，工程總體又組織開展了獨立評估工作，并邀請了20多位國內(nèi)航天界權威專家，對“姿控及星地光路對準技術”“光學膜系和專用光電器件的空間環(huán)境適應性”等六方面工作進行風險評估，與一線研制人員進行深入溝通，共提出專家建議173條，有力保障了衛(wèi)星研制的質(zhì)量，降低了后續(xù)風險。
量子衛(wèi)星在軌實驗是天地一體化的科學實驗，如何將天上的衛(wèi)星與地面天南地北的多個光學站和通信站組成一個有機的整體，使全部參試人員步調(diào)一致配合完成從星地對準、光子傳輸?shù)娇茖W數(shù)據(jù)的雙向傳輸和計算整個科學流程，工程總體從方案階段就組織各大系統(tǒng)討論在軌實驗的方案、指標、流程與分工，在初樣和正樣階段持續(xù)跟蹤相關試驗，并組織開展了大系統(tǒng)聯(lián)試，驗證了整個流程和全部參試設備、人員的協(xié)調(diào)性。
在整個過程中，工程總體時時與各系統(tǒng)人員溝通交流，一旦發(fā)現(xiàn)有不協(xié)調(diào)不統(tǒng)一的問題，就及時組織討論會或協(xié)調(diào)會。在會上，各單位參研參試人員經(jīng)常爭得面紅耳赤，一名后來加入團隊的人員在參加第一次討論會時，對會議討論民主而“激烈”的氛圍感到很驚訝。不過，會后大家都是心情愉快、談笑風生的互道別離，帶著各自明確的任務踏上征程。
由無到有 領跑世界
由中國科學技術大學、中科院上海技術物理研究所，以及上海微小衛(wèi)星工程中心三方組成的衛(wèi)星系統(tǒng)研究團隊，堪稱是一支以優(yōu)秀領軍人才為核心、以來自多學科領域的優(yōu)秀青年科技人才為學術骨干的、始終瞄準國際研究前沿熱點問題進行開拓創(chuàng)新的、穩(wěn)定的科研隊伍。
團隊成員的研究方向覆蓋眾多學科，包括量子信息、量子光學、物理電子學、電子工程、光電探測、自動控制、應用光學、衛(wèi)星技術、材料與器件、機電一體化、天體測量、圖像處理以及項目組織管理等等。
在這支堪稱“全明星”陣容的聯(lián)合作戰(zhàn)團隊中，各個單位分工合理，任務明確。
在衛(wèi)星系統(tǒng)中，中國科大潘建偉團隊主要負責量子糾纏源、量子實驗控制與處理機等有效載荷以及量子密鑰通信機和量子糾纏發(fā)射機核心量子單元研制；上海技物所基于在空間激光主動探測、空間運動部件研制與控制等方面的深厚技術基礎，主要負責空間光跟瞄技術攻關；作為衛(wèi)星系統(tǒng)總體承擔單位的上海微小衛(wèi)星工程中心，則專門成立型號辦公室并組建研制隊伍，負責量子衛(wèi)星的型號研制和組織實施工作。
雖然這支隊伍僅由百余人組成，但它卻堅定地撐起了整個量子科學實驗衛(wèi)星的衛(wèi)星系統(tǒng)研究任務。
衛(wèi)星系統(tǒng)團隊前期的主要任務是為空間尺度量子實驗開展關鍵技術攻關以及外場試驗驗證；后期任務則是在空間科學先導專項的組織領導下，進行量子科學實驗衛(wèi)星的工程化研制，主要包括研制量子科學實驗衛(wèi)星的四個有效載荷，解決有效載荷工程實現(xiàn)中的技術問題，保證研制產(chǎn)品的高可靠性與性能，以滿足科學家提出的天地量子科學實驗要求。
但這從來就不是一條坦途。衛(wèi)星研制是一個系統(tǒng)化工程，尤其是量子科學實驗衛(wèi)星。迄今為止，國際上還沒有任何一個國家能做到在空間開展量子科學實驗。做第一個吃螃蟹的人，就意味著沒有任何前人的經(jīng)驗可以借鑒，只能靠自己在摸索中前進。
然而天地量子科學實驗非常復雜，對天地實驗設備要求也超乎尋常的高。在空間載荷方面，衛(wèi)星與地面站的微弧度高精度跟瞄、近衍射極限量子光發(fā)射、高保偏量子信號偏振調(diào)制、高精密量子糾纏光源的航天工程化等方面，都存在團隊需要突破的技術瓶頸。
針對這些技術難題，量子科學實驗衛(wèi)星系統(tǒng)團隊按照專項技術進行攻關處理：首先進行技術可行性論證，然后設計攻關方案，再根據(jù)攻關方案開展理論分析、實驗驗證、重復迭代等，最后對關鍵技術進行總結(jié)，形成了一整套科學的攻關流程。在攻關過程中，研究團隊從無到有，一方面吸收采納國內(nèi)外的相關先進成果，另一方面進行一系列的自主研究，終于不負眾望，在眾多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(diào)試為例，研究團隊結(jié)合上海技物所鍍膜專業(yè)室的優(yōu)勢，在鍍膜工藝上進行大膽突破，實現(xiàn)了上萬比一的分色片鍍膜。另外又采取相位延遲互補、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，這在國外已報道的文獻中從未被提及過。
最大的難題永遠是下一個，這已成為衛(wèi)星系統(tǒng)團隊的共識。不滿足已有成績，繼續(xù)迎接挑戰(zhàn)，成為研制工作中的主旋律。
由于市面上現(xiàn)有的單光子探測器無法滿足空間的高輻射環(huán)境要求，為此，研究團隊先從基本物理特性入手，在載荷資源和器件本身特性最大允許范圍內(nèi)，提出了通過降低單光子探測器工作溫度、增加探測器屏蔽厚度等技術解決該問題。隨后，參研人員在實驗層面經(jīng)過艱苦攻關，通過歐洲質(zhì)子加速器輻照測試，發(fā)現(xiàn)降低單光子探測器工作溫度和增加探測器屏蔽厚度的技術可有效增加單光子探測器在軌工作壽命，最終攻下了這個堡壘。
除了載荷系統(tǒng)上的攻堅克難，中國科大團隊、技物所團隊以及上海微小衛(wèi)星工程中心團隊，從相識之初的理念差異到相互學習后的有機融合，這一轉(zhuǎn)變至今還為大家所津津樂道。
科學家總是會要求理論上最優(yōu)，提出的需求往往會在項目進展過程中發(fā)生變化，設計上喜歡有多個主備選項；而工程團隊則希望一開始就確定輸入與需求，在研制過程中一般不要更改。
“一開始大家肯定不太適應，但隨著合作時間的增長，大家逐漸取長補短，比如科學家學會了工程管理的一套規(guī)章制度，做事有依據(jù)、有規(guī)程；工程團隊則學會了更多的理論分析能力，從更科學的視角和方法對待出現(xiàn)的技術難題。”如今談起那段磨合的經(jīng)歷，量子科學實驗衛(wèi)星系統(tǒng)副總指揮龔海梅感到很欣慰。
配合默契 大膽創(chuàng)新
在空間科學先導專項的任何一顆科學衛(wèi)星的研制過程中，科學應用系統(tǒng)都是不可或缺的重要組成部分。而對于本身肩負著四大實驗的量子科學實驗衛(wèi)星來說，更是如此。
量子科學實驗衛(wèi)星的科學應用系統(tǒng)配置可以用“141”來概括，即1個中心——合肥量子科學實驗中心；4個站——南山、德令哈、興隆、麗江量子通信地面站；1個平臺——阿里量子隱形傳態(tài)實驗平臺。
雖然科學應用系統(tǒng)的參研單位分踞合肥、北京、成都等地，但空間上的距離絲毫沒能阻礙這支團隊間的默契配合。
作為科學應用系統(tǒng)的總體承擔單位，中國科大負責組織開展科學應用系統(tǒng)研制建設，并在衛(wèi)星發(fā)射升空后負責組織完成星地高速量子密鑰分發(fā)、廣域量子通信網(wǎng)絡、星地量子糾纏分發(fā)以及地星量子隱形傳態(tài)等多項科學實驗任務，實現(xiàn)項目預定的科學目標；中科院國家天文臺負責南山地面站和德令哈地面站的基建、興隆地面站的望遠鏡改造工作及4個地面站的綜合控制系統(tǒng)研制；中科院光電技術研究所則負責承擔科學應用系統(tǒng)中南山和德令哈地面站兩個1.2m口徑新建望遠鏡的研制以及麗江、興隆地面站米級望遠鏡的改造及關鍵技術研制工作。
龐大而復雜的科學應用系統(tǒng)配置，自然對科學應用系統(tǒng)團隊提出了更為“苛刻”的要求。而事實證明，這支團隊的確經(jīng)受得起強壓下的各種考驗。
由中國科大團隊負責的合肥量子科學實驗中心大廳的改造與建設項目就是一個例子。
由于實驗中心建成后需要劃分為科學實驗大廳、機房、設備間等幾個區(qū)域以滿足科學實驗中心的基本需求，這就意味著科學實驗大廳至少要滿足不少于10個以上工位和30個以上的活動席位。中國科大團隊在整個建設過程中，不僅按計劃完成了科學實驗中心任務書評審、科學實驗中心大廳建設方案，并積極協(xié)調(diào)大廳建設地點，從而優(yōu)質(zhì)、高效地完成了任務。
中科院國家天文臺參研團隊由經(jīng)驗豐富的管理人員和實力強勁的技術人員共同組成。不得不提的是，在這支團隊中，以“80后”為代表的青年骨干承擔了大部分一線工作，他們將在國家天文臺工作時的成果和經(jīng)驗投入到地面科學應用系統(tǒng)的建設中，從而保證了研制任務的成功完成。
高海拔偏遠地區(qū)的惡劣環(huán)境一直是外場工作需要面對的首要困難。在量子衛(wèi)星地面站中，興隆站海拔900米，南山站海拔2000米，德令哈站海拔3200米，麗江站海拔3200米，阿里站海拔5100米……越來越高的海拔造成的高原反應給平時在北京生活的國家天文臺技術人員帶來強烈的不適。然而，技術人員們?nèi)匀灰а缊猿种瓿闪嗽O備安裝調(diào)試和程序代碼編寫調(diào)試等一項項體力和腦力勞動。
高強度的工作是外場工作需要面臨的另一個棘手問題。由于量子望遠鏡的調(diào)試是晝夜進行的：白天進行硬件和軟件設備的調(diào)整，晚上則利用星空對設備進行測試和實驗。因此，參加外場試驗的人員往往凌晨4點才能坐上車返回宿舍——這時他們往往已經(jīng)連續(xù)工作超過16小時。
由于地面站望遠鏡研制項目具有“五高”“三多”“一緊”的鮮明特點，因此研制技術新、難度大、系統(tǒng)復雜等風險也給中科院光電所團隊帶來了巨大的考驗和層出不窮的難題。
“五高”是指望遠鏡旁軸發(fā)射信標光、同軸精度要求高，跟蹤精度要求高，指向精度要求高，效率與保偏要求高以及外場試驗臺站海拔高；“三多”是指研制與改造地面站多，同一臺望遠鏡完成量子通信、相干激光通信和天文觀測的功能多，外場實驗驗證通宵工作時候多；“一緊”體現(xiàn)在進度緊，從簽訂合同到出所驗收僅僅18個月，需完成從方案論證到設計、研制、檢測、驗證等各階段的工作，多次大型專項實驗驗證，研制進度十分緊張。
光電所參與地面站望遠鏡研制的團隊人員層次結(jié)構合理且攻堅能力強。從方案論證到具體設計，團隊成員對項目方案、任務流程等進行充分討論；通過技術點分解梳理出關鍵技術、新技術以及難點；并加班加點在部門實驗室搭建新技術設計及驗證平臺。由于所領導對項目高度重視，綜合保障工作措施得力，各協(xié)作部門大力配合，使得光電所團隊最終按時間計劃節(jié)點完成所有研制工作。
冒雨吊裝超過10噸的望遠鏡，在大雪中徒步十幾公里尋找合適的靶點，甚至為了安裝靶燈爬上七八十米高的通信塔……在整個攻關過程中，光電所團隊成員可謂“輕傷不下火線”，不僅在超過3000米海拔氣候條件的外場試驗環(huán)境下長期通宵達旦的工作，病倒了還仍在工作崗位上堅持戰(zhàn)斗。
由于外場階段工作任務繁重、協(xié)調(diào)單位多，光電所既需要與中國科大團隊完成量子通信的調(diào)試、試驗，還要與國家天文臺團隊完成天文觀測的調(diào)試、試驗，更要與上海光機所團隊完成相干激光通信的調(diào)試、試驗任務，可以說整個試驗過程均有光電所團隊的身影。
“在全體團隊成員齊心協(xié)力的努力下，我們所承研和改造的4套地面站望遠鏡具備了良好的技術狀態(tài)，為星地量子科學實驗的完成奠定了堅實的基礎。”光電所參研團隊負責人黃永梅研究員告訴《科學新聞》。
統(tǒng)一部署 強化特性
從立項到準備升空，量子科學實驗衛(wèi)星的研制與發(fā)射離不開一支特殊團隊的付出——由中科院國家空間科學中心作為承擔單位組建的地面支撐系統(tǒng)團隊。
地面支撐系統(tǒng)的任務除了確保科學衛(wèi)星探測計劃的實施，還負責科學數(shù)據(jù)的接收、處理、管理、歸檔、發(fā)布和永久保存，并為各個科學應用系統(tǒng)提供公共服務。
地面支撐系統(tǒng)團隊按照空間科學先導專項對地面支撐系統(tǒng)的要求，聯(lián)合院內(nèi)外優(yōu)勢單位，通過嚴格招標，吸納包括中科院電子學研究所、中科院計算機網(wǎng)絡信息中心，以及中電集團54所、15所、10所、39所在內(nèi)的多家國內(nèi)優(yōu)勢單位共同組建起來的，堪稱一支“聯(lián)合作戰(zhàn)部隊”。
地面支撐系統(tǒng)團隊同時又是一支肩負多星、多任務的團隊。多星，是說地面支撐系統(tǒng)不是針對某一顆衛(wèi)星或某一類衛(wèi)星建設的，而是需要具備支撐各種衛(wèi)星運行和數(shù)據(jù)處理的能力；多任務，是指團隊肩負著系統(tǒng)建設，與衛(wèi)星系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、科學應用系統(tǒng)的溝通、接口協(xié)調(diào)，組織相應對接試驗，以及衛(wèi)星在軌運行等多重任務。
因此，如果說其中一顆科學衛(wèi)星有效載荷團隊面臨的是一組科學家與工程師的對接與溝通問題，那么地面支撐系統(tǒng)團隊所遇到問題的復雜程度與難度則是上述情況的幾倍。如何處理好科學家與工程師的關系，如何使兩者的溝通更順暢，是團隊不得不面對的問題。
對此，地面支撐系統(tǒng)團隊始終牢記自己的任務是支持科學家、服務科學家，支持科學產(chǎn)出最大化。“為此，我們設計了公共服務系統(tǒng)，盡量減少科學家的工程常規(guī)任務，使其集中精力進行高級數(shù)據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)和科學研究。”地面支撐系統(tǒng)總指揮王樹志告訴《科學新聞》。同時，團隊努力尋找溝通對話的“語言”，使工程師盡量站在科學家的角度理解問題、分析問題，從而確定需求、設計等問題。
龐大的人員組成，繁雜的工作內(nèi)容，多星多任務對團隊的管理水平提出了挑戰(zhàn)。對此，地面支撐系統(tǒng)團隊明確崗位責任制，要求各層次負責人明確自身職責，根據(jù)任務目標層層落實；明確各分系統(tǒng)任務接口，總體、分系統(tǒng)各自實現(xiàn)自身目標，并由總體負責監(jiān)督和督促；強化調(diào)度會制度，加強協(xié)調(diào)和工作落實。最終，保證了系統(tǒng)運轉(zhuǎn)得有條不紊。
眼下，量子科學實驗衛(wèi)星已完成整機組裝和大型環(huán)境試驗，“整裝待發(fā)”。
而量子科學實驗衛(wèi)星背后的各個系統(tǒng)團隊，都已經(jīng)為此刻的“噴涌”厚積多年。對這支耐得住寂寞又扛得住壓力的團隊來說，一切才剛剛開始。■