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“墨子号”的前世今生
2018-10-12 11:10
来源:中国科学报 倪思洁
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  2016年8月16日,世界首颗空间量子科学实验卫星“墨子号”发射升空。如今,“墨子号”已经在轨运行两年,超过了设计使用寿命,而科学团队依然在继续进行后续在轨拓展任务,勇攀空间量子信息科技高峰。

  2010年底,曾经作为我国风云二号系列卫星总指挥的徐博明接到了一份来自中国科学院的特殊邀请,之后,他成了“墨子号”的工程总师。

  如今,徐博明办公室的书架上,一个个气象卫星模型,一摞摞卫星技术、气象研究相关的书籍,蕴藏着当初的荣光。卫星模型的旁边,几本量子物理的书显得有些另类——《上帝掷骰子吗?》《光论》……

   从零开始学习量子力学

  2011年1月,中国科学院空间科学先导专项一期启动实施。量子科学实验卫星“墨子号”项目位列其中。就在项目启动前,2010年底,时任中国科学院副院长的阴和俊找到了徐博明,邀请他出任量子科学实验卫星的工程总师。

  对于量子科学实验卫星提出的科研目标,徐博明感到好奇。“我是搞遥感卫星的,对对地观测卫星比较熟悉,对量子不太懂。”徐博明回忆。

  从未做过科学卫星的徐博明知道,他要做的第一件事是理解科学。于是,徐博明向中科院提出了要求:帮他弄懂量子通讯到底在做什么。

  量子力学的晦涩难懂几乎是公认的。不过,徐博明还是从零开始,学起了量子力学。“科学卫星的工程总师是要做事的,不理解科学不行,所以后来,中科院专门给我介绍了一次,中国科学技术大学的团队又给我讲解了一次,他们还给我开出了推荐书目,慢慢的,我就基本上弄懂了。”徐博明说。

   新技术带来新难处

  “和应用卫星不同,科学实验卫星采用的是有难度的先进技术而不是成熟技术,并且只有一次机会。”徐博明说。

  以往,量子纠缠态实验都是科学家在地面上做的,精度容易控制,而现在,这些仪器不仅要搬到天上去,而且不容许光路、光子偏振度等有丝毫偏差。这意味着卫星研制人员对卫星的抖动问题、外太空的高低温问题等必须有十足的应对把握。

  “卫星和地面要建立链路,无异于‘针尖对麦芒’,对卫星对准技术、时间同步技术提出了极高的要求。”徐博明说。

  量子保密通讯需要通过一颗颗带有偏振信息的光子完成,而“墨子号”必须在运动中把一颗颗光子从500公里的外太空精准地打到一个口径只有2米的地面光学望远镜上。

  不仅如此,这一过程中,光子携带的偏振信息还不能衰减。“激光通讯是通过强、弱、强、弱来传递信息,而量子通讯是采用光子的四个态来实现通讯,信号传递过程中,怎么保持偏振态,就成为重大的关键技术难题。”徐博明说。

  为了保证卫星一举成功,徐博明带领着工程团队不断筛选识别关键技术,反复开展环境模拟试验,在技术指标上留出充足余量,让所有关键技术的指标都远高于应用所需的指标。

   “理解他们,支持他们”

  回想起“墨子号”卫星诞生的全过程,徐博明总结出了一条经验:“理解他们,支持他们。”徐博明口中的“他们”,正是“墨子号”的工程技术和科学团队。

  2014年,徐博明和工程团队经历了压力最大的一年。这一年,“墨子号”进入初样阶段,可是在振动试验中卫星出现了光路偏差,热真空试验中又出现了光路衰减。

  “‘墨子号’在太空中将经历的不确定因素太多了,经不起风吹草动,如果降低标准,科学目标实现的可能性就很小了,所以即便是拖进度,技术标准也不能降。”徐博明说。

  2015年,“墨子号”进入正样阶段,工程技术团队又发现,单光子探测器受宇宙中高能粒子“攻击”后出现了衰减,如果不作改进,“墨子号”将只能正常运行三个月。于是,实验团队决定,将卫星运行轨道从原先的600公里降低至500公里,同时增强器件防护技术。随着运行轨道的改变,运载火箭也进行了相应调整。

  无论多么坎坷,徐博明的信念就是“绝不带着问题出厂”。“‘墨子号’采用的全部是新技术,第一次做一定会碰到各种问题,我所做的工作就是看清楚、想明白,理解他们,支持他们,仅此而已。”徐博明说。


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