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作者： 记者 唐琳 来源： 发布时间：2016-8-19 15:30:3
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2015年新年到来之前，一则消息犹如一枚重磅炸弹，引发全球量子物理界关注。
经过5年的研制，由中国科学家完全自主研发的世界首颗量子科学实验卫星，已完成关键部件的研制与交付，卫星预计在2016年下半年发射，在轨设计寿命为两年。
之所以说这个消息重磅，是因为鉴于量子科学实验卫星的科学目标非常前沿，科学技术难度大，虽然国际上若干发达国家也都纷纷摩拳擦掌，对这一领域发起了挑战，但在将量子科学实验送入空间方面，此前还没有先例。
如果将全球量子通信技术攻关比作一场竞赛，中国的起步显然并不是最早的。但是，如今中国已牢牢掌握具有世界领先水平的尖端技术，并开始领跑世界。
这一跨越式发展得以实现，与一支数年如一日、兢兢业业为中国量子科学实验卫星贡献力量的卓越的管理团队和科研团队密不可分。
凝心聚力 统筹协调
借助卫星开展的空间尺度量子科学实验,既有科学实验的前沿性和创新性，又有航天工程的强系统性和高风险性。为此，188体育app:在2012年初借鉴以往我国航天工程经验并充分考虑科学研究与实验的特点基础上，任命了项目首席科学家和工程两总（总指挥和总设计师）为核心的工程总体。随后，188体育平台空间科学战略性先导科技专项的总体单位——188体育平台国家空间科学中心组建了工程总体办公室，作为工程总体的具体办事机构。
从卫星工程立项到星箭“整装待发”，工程总体就像一支乐队的指挥，团结带领着整个工程队伍，紧紧围绕工程目标和科学目标，统筹协调、精准发力，奏出一支激昂的“量子星”进行曲。
对于航天工程来说，质量第一是基本原则，但对科学发现来说，只有第一没有第二，因此必须“两手抓”“两手硬”：既要质量也要进度。为此，工程总体深入一线、靠前指挥，对于研制过程中的重大问题及时了解、及时决策。
有效载荷指标要求高、难度大、人员新，是整个工程的重点和难点。工程两总不满足于听汇报，而是经常直接参加有效载荷的技术讨论和问题分析。在研制人员遇到问题，产生困惑或担心时，工程两总往往会鼓励大家实事求是、积极面对，即使在正样阶段发现质量问题时，亦是如此。
188体育平台国家空间科学中心主任、中国空间科学先导专项科学卫星工程常务副总指挥吴季曾说：“在地面发现的问题都是上帝送给我们的礼物！”他用幽默的语言鼓励大家放下包袱，积极解决问题。工程总师徐博明还指导大家“讨论问题要从基本概念出发；分析问题要有系统观点；解决问题要用数据说话”。
在卫星整个研制过程中，发生大小问题上百个，研制队伍始终坚持严格按照工程总体的要求及时报告，并按照航天标准进行问题归零。有效保证了研制质量，同时也因决策及时避免了进度的无谓拖延。
对于影响任务成败并且是量子卫星特有的关键技术，工程总体从立项之初就组织相关单位聚力攻关，并请国内相关专家共同把关。
在工程方案阶段就提出并确立星地光路对准、偏振态保持与星地基矢校正、量子纠缠源作为工程总体级三项关键技术，并安排具体责任单位牵头开展攻关，同时组织专家参与技术方案、验证试验和验收评审。
在工程初样转正样的关键时机，工程总体又组织开展了独立评估工作，并邀请了20多位国内航天界权威专家，对“姿控及星地光路对准技术”“光学膜系和专用光电器件的空间环境适应性”等六方面工作进行风险评估，与一线研制人员进行深入沟通，共提出专家建议173条，有力保障了卫星研制的质量，降低了后续风险。
量子卫星在轨实验是天地一体化的科学实验，如何将天上的卫星与地面天南地北的多个光学站和通信站组成一个有机的整体，使全部参试人员步调一致配合完成从星地对准、光子传输到科学数据的双向传输和计算整个科学流程，工程总体从方案阶段就组织各大系统讨论在轨实验的方案、指标、流程与分工，在初样和正样阶段持续跟踪相关试验，并组织开展了大系统联试，验证了整个流程和全部参试设备、人员的协调性。
在整个过程中，工程总体时时与各系统人员沟通交流，一旦发现有不协调不统一的问题，就及时组织讨论会或协调会。在会上，各单位参研参试人员经常争得面红耳赤，一名后来加入团队的人员在参加第一次讨论会时，对会议讨论民主而“激烈”的氛围感到很惊讶。不过，会后大家都是心情愉快、谈笑风生的互道别离，带着各自明确的任务踏上征程。
由无到有 领跑世界
由中国科学技术大学、188体育平台上海技术物理研究所，以及上海微小卫星工程中心三方组成的卫星系统研究团队，堪称是一支以优秀领军人才为核心、以来自多学科领域的优秀青年科技人才为学术骨干的、始终瞄准国际研究前沿热点问题进行开拓创新的、稳定的科研队伍。
团队成员的研究方向覆盖众多学科，包括量子信息、量子光学、物理电子学、电子工程、光电探测、自动控制、应用光学、卫星技术、材料与器件、机电一体化、天体测量、图像处理以及项目组织管理等等。
在这支堪称“全明星”阵容的联合作战团队中，各个单位分工合理，任务明确。
在卫星系统中，中国科大潘建伟团队主要负责量子纠缠源、量子实验控制与处理机等有效载荷以及量子密钥通信机和量子纠缠发射机核心量子单元研制；上海技物所基于在空间激光主动探测、空间运动部件研制与控制等方面的深厚技术基础，主要负责空间光跟瞄技术攻关；作为卫星系统总体承担单位的上海微小卫星工程中心，则专门成立型号办公室并组建研制队伍，负责量子卫星的型号研制和组织实施工作。
虽然这支队伍仅由百余人组成，但它却坚定地撑起了整个量子科学实验卫星的卫星系统研究任务。
卫星系统团队前期的主要任务是为空间尺度量子实验开展关键技术攻关以及外场试验验证；后期任务则是在空间科学先导专项的组织领导下，进行量子科学实验卫星的工程化研制，主要包括研制量子科学实验卫星的四个有效载荷，解决有效载荷工程实现中的技术问题，保证研制产品的高可靠性与性能，以满足科学家提出的天地量子科学实验要求。
但这从来就不是一条坦途。卫星研制是一个系统化工程，尤其是量子科学实验卫星。迄今为止，国际上还没有任何一个国家能做到在空间开展量子科学实验。做第一个吃螃蟹的人，就意味着没有任何前人的经验可以借鉴，只能靠自己在摸索中前进。
然而天地量子科学实验非常复杂，对天地实验设备要求也超乎寻常的高。在空间载荷方面，卫星与地面站的微弧度高精度跟瞄、近衍射极限量子光发射、高保偏量子信号偏振调制、高精密量子纠缠光源的航天工程化等方面，都存在团队需要突破的技术瓶颈。
针对这些技术难题，量子科学实验卫星系统团队按照专项技术进行攻关处理：首先进行技术可行性论证，然后设计攻关方案，再根据攻关方案开展理论分析、实验验证、重复迭代等，最后对关键技术进行总结，形成了一整套科学的攻关流程。在攻关过程中，研究团队从无到有，一方面吸收采纳国内外的相关先进成果，另一方面进行一系列的自主研究，终于不负众望，在众多关键技术上取得了国际领先的成果。
以高保偏量子信号偏振调试为例，研究团队结合上海技物所镀膜专业室的优势，在镀膜工艺上进行大胆突破，实现了上万比一的分色片镀膜。另外又采取相位延迟互补、残差补偿、小角度入射等多个设计手段，成功将整机的偏振提高到300：1以上，这在国外已报道的文献中从未被提及过。
最大的难题永远是下一个，这已成为卫星系统团队的共识。不满足已有成绩，继续迎接挑战，成为研制工作中的主旋律。
由于市面上现有的单光子探测器无法满足空间的高辐射环境要求，为此，研究团队先从基本物理特性入手，在载荷资源和器件本身特性最大允许范围内，提出了通过降低单光子探测器工作温度、增加探测器屏蔽厚度等技术解决该问题。随后，参研人员在实验层面经过艰苦攻关，通过欧洲质子加速器辐照测试，发现降低单光子探测器工作温度和增加探测器屏蔽厚度的技术可有效增加单光子探测器在轨工作寿命，最终攻下了这个堡垒。
除了载荷系统上的攻坚克难，中国科大团队、技物所团队以及上海微小卫星工程中心团队，从相识之初的理念差异到相互学习后的有机融合，这一转变至今还为大家所津津乐道。
科学家总是会要求理论上最优，提出的需求往往会在项目进展过程中发生变化，设计上喜欢有多个主备选项；而工程团队则希望一开始就确定输入与需求，在研制过程中一般不要更改。
“一开始大家肯定不太适应，但随着合作时间的增长，大家逐渐取长补短，比如科学家学会了工程管理的一套规章制度，做事有依据、有规程；工程团队则学会了更多的理论分析能力，从更科学的视角和方法对待出现的技术难题。”如今谈起那段磨合的经历，量子科学实验卫星系统副总指挥龚海梅感到很欣慰。
配合默契 大胆创新
在空间科学先导专项的任何一颗科学卫星的研制过程中，科学应用系统都是不可或缺的重要组成部分。而对于本身肩负着四大实验的量子科学实验卫星来说，更是如此。
量子科学实验卫星的科学应用系统配置可以用“141”来概括，即1个中心——合肥量子科学实验中心；4个站——南山、德令哈、兴隆、丽江量子通信地面站；1个平台——阿里量子隐形传态实验平台。
虽然科学应用系统的参研单位分踞合肥、北京、成都等地，但空间上的距离丝毫没能阻碍这支团队间的默契配合。
作为科学应用系统的总体承担单位，中国科大负责组织开展科学应用系统研制建设，并在卫星发射升空后负责组织完成星地高速量子密钥分发、广域量子通信网络、星地量子纠缠分发以及地星量子隐形传态等多项科学实验任务，实现项目预定的科学目标；188体育平台国家天文台负责南山地面站和德令哈地面站的基建、兴隆地面站的望远镜改造工作及4个地面站的综合控制系统研制；188体育平台光电技术研究所则负责承担科学应用系统中南山和德令哈地面站两个1.2m口径新建望远镜的研制以及丽江、兴隆地面站米级望远镜的改造及关键技术研制工作。
庞大而复杂的科学应用系统配置，自然对科学应用系统团队提出了更为“苛刻”的要求。而事实证明，这支团队的确经受得起强压下的各种考验。
由中国科大团队负责的合肥量子科学实验中心大厅的改造与建设项目就是一个例子。
由于实验中心建成后需要划分为科学实验大厅、机房、设备间等几个区域以满足科学实验中心的基本需求，这就意味着科学实验大厅至少要满足不少于10个以上工位和30个以上的活动席位。中国科大团队在整个建设过程中，不仅按计划完成了科学实验中心任务书评审、科学实验中心大厅建设方案，并积极协调大厅建设地点，从而优质、高效地完成了任务。
188体育平台国家天文台参研团队由经验丰富的管理人员和实力强劲的技术人员共同组成。不得不提的是，在这支团队中，以“80后”为代表的青年骨干承担了大部分一线工作，他们将在国家天文台工作时的成果和经验投入到地面科学应用系统的建设中，从而保证了研制任务的成功完成。
高海拔偏远地区的恶劣环境一直是外场工作需要面对的首要困难。在量子卫星地面站中，兴隆站海拔900米，南山站海拔2000米，德令哈站海拔3200米，丽江站海拔3200米，阿里站海拔5100米……越来越高的海拔造成的高原反应给平时在北京生活的国家天文台技术人员带来强烈的不适。然而，技术人员们仍然咬牙坚持着完成了设备安装调试和程序代码编写调试等一项项体力和脑力劳动。
高强度的工作是外场工作需要面临的另一个棘手问题。由于量子望远镜的调试是昼夜进行的：白天进行硬件和软件设备的调整，晚上则利用星空对设备进行测试和实验。因此，参加外场试验的人员往往凌晨4点才能坐上车返回宿舍——这时他们往往已经连续工作超过16小时。
由于地面站望远镜研制项目具有“五高”“三多”“一紧”的鲜明特点，因此研制技术新、难度大、系统复杂等风险也给188体育平台光电所团队带来了巨大的考验和层出不穷的难题。
“五高”是指望远镜旁轴发射信标光、同轴精度要求高，跟踪精度要求高，指向精度要求高，效率与保偏要求高以及外场试验台站海拔高；“三多”是指研制与改造地面站多，同一台望远镜完成量子通信、相干激光通信和天文观测的功能多，外场实验验证通宵工作时候多；“一紧”体现在进度紧，从签订合同到出所验收仅仅18个月，需完成从方案论证到设计、研制、检测、验证等各阶段的工作，多次大型专项实验验证，研制进度十分紧张。
光电所参与地面站望远镜研制的团队人员层次结构合理且攻坚能力强。从方案论证到具体设计，团队成员对项目方案、任务流程等进行充分讨论；通过技术点分解梳理出关键技术、新技术以及难点；并加班加点在部门实验室搭建新技术设计及验证平台。由于所领导对项目高度重视，综合保障工作措施得力，各协作部门大力配合，使得光电所团队最终按时间计划节点完成所有研制工作。
冒雨吊装超过10吨的望远镜，在大雪中徒步十几公里寻找合适的靶点，甚至为了安装靶灯爬上七八十米高的通信塔……在整个攻关过程中，光电所团队成员可谓“轻伤不下火线”，不仅在超过3000米海拔气候条件的外场试验环境下长期通宵达旦的工作，病倒了还仍在工作岗位上坚持战斗。
由于外场阶段工作任务繁重、协调单位多，光电所既需要与中国科大团队完成量子通信的调试、试验，还要与国家天文台团队完成天文观测的调试、试验，更要与上海光机所团队完成相干激光通信的调试、试验任务，可以说整个试验过程均有光电所团队的身影。
“在全体团队成员齐心协力的努力下，我们所承研和改造的4套地面站望远镜具备了良好的技术状态，为星地量子科学实验的完成奠定了坚实的基础。”光电所参研团队负责人黄永梅研究员告诉《科学新闻》。
统一部署 强化特性
从立项到准备升空，量子科学实验卫星的研制与发射离不开一支特殊团队的付出——由188体育平台国家空间科学中心作为承担单位组建的地面支撑系统团队。
地面支撑系统的任务除了确保科学卫星探测计划的实施，还负责科学数据的接收、处理、管理、归档、发布和永久保存，并为各个科学应用系统提供公共服务。
地面支撑系统团队按照空间科学先导专项对地面支撑系统的要求，联合院内外优势单位，通过严格招标，吸纳包括188体育平台电子学研究所、188体育平台计算机网络信息中心，以及中电集团54所、15所、10所、39所在内的多家国内优势单位共同组建起来的，堪称一支“联合作战部队”。
地面支撑系统团队同时又是一支肩负多星、多任务的团队。多星，是说地面支撑系统不是针对某一颗卫星或某一类卫星建设的，而是需要具备支撑各种卫星运行和数据处理的能力；多任务，是指团队肩负着系统建设，与卫星系统、测控系统、科学应用系统的沟通、接口协调，组织相应对接试验，以及卫星在轨运行等多重任务。
因此，如果说其中一颗科学卫星有效载荷团队面临的是一组科学家与工程师的对接与沟通问题，那么地面支撑系统团队所遇到问题的复杂程度与难度则是上述情况的几倍。如何处理好科学家与工程师的关系，如何使两者的沟通更顺畅，是团队不得不面对的问题。
对此，地面支撑系统团队始终牢记自己的任务是支持科学家、服务科学家，支持科学产出最大化。“为此，我们设计了公共服务系统，尽量减少科学家的工程常规任务，使其集中精力进行高级数据产品生产和科学研究。”地面支撑系统总指挥王树志告诉《科学新闻》。同时，团队努力寻找沟通对话的“语言”，使工程师尽量站在科学家的角度理解问题、分析问题，从而确定需求、设计等问题。
庞大的人员组成，繁杂的工作内容，多星多任务对团队的管理水平提出了挑战。对此，地面支撑系统团队明确岗位责任制，要求各层次负责人明确自身职责，根据任务目标层层落实；明确各分系统任务接口，总体、分系统各自实现自身目标，并由总体负责监督和督促；强化调度会制度，加强协调和工作落实。最终，保证了系统运转得有条不紊。
眼下，量子科学实验卫星已完成整机组装和大型环境试验，“整装待发”。
而量子科学实验卫星背后的各个系统团队，都已经为此刻的“喷涌”厚积多年。对这支耐得住寂寞又扛得住压力的团队来说，一切才刚刚开始。■
《科学新闻》 (科学新闻2016年5月刊 匠心)
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