“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星大科學(xué)工程的歷史與管理模式探究

張志會(huì),馬連軼

(1.中國(guó)科學(xué)院自然科學(xué)史研究所,北京 100190；2.北京航天長(zhǎng)峰科技工業(yè)集團(tuán)有限公司，北京 100854)

1 國(guó)內(nèi)外大科學(xué)工程的發(fā)展歷史與管理模式概述

1.1 國(guó)內(nèi)外大科學(xué)工程發(fā)展簡(jiǎn)述

大科學(xué)工程是以科學(xué)探究為主要目標(biāo)，又有賴(lài)于工程實(shí)現(xiàn)的工程，如中微子探測(cè)大科學(xué)工程、“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星工程等。大科學(xué)工程往往規(guī)模大、資金投入多、能產(chǎn)生很大的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益，對(duì)科技與社會(huì)的影響深遠(yuǎn)，但也伴隨著較大的項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)。大科學(xué)工程往往要經(jīng)歷預(yù)研、設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行和維護(hù)等一系列活動(dòng)，需要科學(xué)高效的科研組織和工程管理才能順利實(shí)施。人類(lèi)歷史上大科學(xué)工程的管理模式隨著時(shí)間發(fā)展而不斷演變。

20世紀(jì) 40 年代美國(guó)開(kāi)展的“曼哈頓計(jì)劃”是人類(lèi)歷史上第一個(gè)大科學(xué)工程，該計(jì)劃所采用的集散聯(lián)合項(xiàng)目制后被眾多大科學(xué)工程所采用，阿波羅登月計(jì)劃、人類(lèi)基因組計(jì)劃等均采用了這種管理模式。二戰(zhàn)之后美國(guó)政府大幅度增加科研和工程發(fā)展經(jīng)費(fèi)，在歐美科研項(xiàng)目申請(qǐng)中最早出現(xiàn)了PI(Principal Investigator)制，意為學(xué)科帶頭人對(duì)所負(fù)責(zé)項(xiàng)目有主導(dǎo)權(quán)。這種科研組織管理模式后來(lái)在我國(guó)重大科技任務(wù)的管理中被廣泛采用。

20世紀(jì)70年代后，發(fā)達(dá)國(guó)家的重大科技任務(wù)中，如日本超大規(guī)模集成電路(VLSI)項(xiàng)目(1976年)、歐盟框架計(jì)劃(1984年起)、美國(guó)國(guó)家納米技術(shù)計(jì)劃(NNI)(2000年1月起)[1]，以及韓國(guó)《至2025年的科技發(fā)展長(zhǎng)期計(jì)劃》(又稱(chēng)為韓國(guó)先導(dǎo)計(jì)劃，2000年起)[2]等，均采用了產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合研究的組織管理形式[3]。

不同時(shí)期因時(shí)代背景不同，重大科技任務(wù)的組織模式也不盡相同。20世紀(jì)50—70年代，我國(guó)實(shí)施了“兩彈一星”工程，政治要素與技術(shù)、行政因素在該工程的組織實(shí)施中共同發(fā)揮重要影響[4]。該工程開(kāi)創(chuàng)了項(xiàng)目“工程兩總”系統(tǒng)(總指揮、總設(shè)計(jì)師)，即通常所說(shuō)的技術(shù)指揮線(xiàn)和行政指揮線(xiàn)構(gòu)成的“兩條指揮線(xiàn)”，其中總設(shè)計(jì)師專(zhuān)注技術(shù)實(shí)現(xiàn)，工程總指揮負(fù)責(zé)調(diào)度管理?！皟蓮椧恍恰笔俏覈?guó)運(yùn)用舉國(guó)體制成功開(kāi)展重大科技任務(wù)的典范。

改革開(kāi)放后，我國(guó)實(shí)施了“863計(jì)劃”和“973計(jì)劃”等重大高科技項(xiàng)目。這些項(xiàng)目繼承了“兩彈一星”工程的“舉國(guó)體制”，又借鑒了西方PI制，在全國(guó)范圍內(nèi)以項(xiàng)目形式大規(guī)模實(shí)施，在各領(lǐng)域設(shè)立專(zhuān)家委員會(huì)，由專(zhuān)家進(jìn)行決策管理；首席科學(xué)家對(duì)項(xiàng)目總負(fù)責(zé)。還有學(xué)者提出在863項(xiàng)目中應(yīng)用虛擬合同研發(fā)組織等進(jìn)行組織制度變革[5]。

20世紀(jì)90年代開(kāi)始的載人航天工程繼承了“兩彈一星”工程管理的“工程兩總系統(tǒng)”，2004年國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)立項(xiàng)的繞月探測(cè)工程(嫦娥工程)則對(duì)該模式進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)立了工程總指揮、總設(shè)計(jì)師和月球應(yīng)用科學(xué)首席科學(xué)家，又設(shè)立五個(gè)分系統(tǒng)，各系統(tǒng)又分別配備總指揮和總設(shè)計(jì)師，人員由國(guó)防科工委任命[6]。

根據(jù)《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020年)》，我國(guó)實(shí)施了16個(gè)國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)(含3個(gè)軍口保密專(zhuān)項(xiàng))。隨著科技體制的改革，我國(guó)科技體系也逐漸從科技規(guī)劃為主導(dǎo)的體系，過(guò)渡到基本科技計(jì)劃與科技重大專(zhuān)項(xiàng)相結(jié)合的結(jié)構(gòu)體系[7]。

1.2 學(xué)術(shù)界大科學(xué)工程管理模式研究概述

近些年來(lái)，我國(guó)在建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家的目標(biāo)指引下，陸續(xù)創(chuàng)造性地完成了很多大科學(xué)工程。大科學(xué)工程的組織建設(shè)能力標(biāo)志著一個(gè)國(guó)家核心的、原始的創(chuàng)新能力，是國(guó)家綜合實(shí)力、科技和經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力的重要體現(xiàn)[8]，因此學(xué)術(shù)界以往對(duì)大科學(xué)工程的組織管理多有討論：美國(guó)阿奇博爾德從知識(shí)層面探討了高科技項(xiàng)目的管理[9]。招富剛將國(guó)家重大科技專(zhuān)項(xiàng)的組織管理模式分為閉環(huán)控制模式、業(yè)主制管理模式和全生命周期項(xiàng)目管理模式三種[10]。董佳敏等將國(guó)內(nèi)外大科學(xué)工程的管理模式分成集散聯(lián)合項(xiàng)目制、官產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合研究制、“行政+技術(shù)舉國(guó)制”和“工程兩總系統(tǒng)”下柔性項(xiàng)目制這四種模式[3]，不過(guò)卻將863計(jì)劃等重大科技任務(wù)與大科學(xué)工程混為一談，且對(duì)后兩種體制的區(qū)別闡釋不清。郭磊等研究了973計(jì)劃、863計(jì)劃、國(guó)家科技支撐計(jì)劃和國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)的組織管理體系的區(qū)別和聯(lián)系[11]。于軍等研究了學(xué)習(xí)型組織、虛擬團(tuán)隊(duì)和利用新型流程導(dǎo)向的多項(xiàng)目管理及其在高科技項(xiàng)目中的實(shí)用性[12]。邢超等對(duì)大科學(xué)工程ITER項(xiàng)目的管理理念和實(shí)施借鑒進(jìn)行了研究[13]。中國(guó)科學(xué)院重大科學(xué)裝置發(fā)展戰(zhàn)略研討小組討論了大科學(xué)工程的發(fā)展建議[14]，羅小安等探究了大科學(xué)工程的風(fēng)險(xiǎn)管理問(wèn)題[15]。邢淑英則系統(tǒng)研究了中國(guó)科學(xué)院“六五”到“八五”期間的大科學(xué)工程建設(shè)的進(jìn)展和“九五”期間的安排，以及大科學(xué)工程管理中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[16]。聶繼凱等認(rèn)為，政府在大科學(xué)工程的立項(xiàng)、準(zhǔn)備、建設(shè)和完成四個(gè)階段上分別扮演著決策者、啟動(dòng)者、協(xié)調(diào)者和評(píng)估者四個(gè)核心角色[17]。不過(guò)，圍繞典型性大科學(xué)工程詳實(shí)深入的案例研究及其管理模式分析尚不多見(jiàn)。

1.3 本文研究問(wèn)題的提出

“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星于2016年8月16日1時(shí)40分在酒泉發(fā)射升空，這標(biāo)志著我國(guó)空間科學(xué)研究又邁出重要一步[18]。通過(guò)實(shí)施這一工程，我國(guó)在量子信息領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了全球領(lǐng)跑，有人甚至將“墨子號(hào)”首席科學(xué)家潘建偉稱(chēng)為“中國(guó)離諾獎(jiǎng)最近的人”?！澳犹?hào)”的發(fā)展歷程及管理模式對(duì)我國(guó)大科學(xué)工程的管理具有典型示范意義，目前亟待對(duì)這類(lèi)“領(lǐng)跑”型的大科學(xué)工程開(kāi)展深入研究。本文將以科技史為研究視角，理清“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星的發(fā)展歷程，在此基礎(chǔ)上提煉其組織管理模式，分析問(wèn)題并給出政策建議。

2 “墨子號(hào)”量子衛(wèi)星大科學(xué)工程的發(fā)展歷史

國(guó)際上大科學(xué)工程往往起源于戰(zhàn)略規(guī)劃，從概念研究和預(yù)先研究起步，發(fā)展到工程設(shè)計(jì)、研制、建造和運(yùn)行，結(jié)束于科學(xué)產(chǎn)出。量子衛(wèi)星工程基本遵循這一鏈條。

2.1 醞釀科學(xué)目標(biāo)階段：海歸科學(xué)家提出星地量子通信概念(2001—2005年)

20世紀(jì)90年代，美國(guó)、歐盟、日本紛紛把量子通信作為21世紀(jì)的戰(zhàn)略項(xiàng)目，這一時(shí)期郭光燦院士、張永德教授等老一輩科學(xué)家已致力于用量子信息技術(shù)確保信息安全[19]。改革開(kāi)放后，我國(guó)一大批學(xué)子赴歐美科技發(fā)達(dá)國(guó)家學(xué)習(xí)和交流。1997年，正攻讀博士的潘建偉與其奧地利導(dǎo)師安東·塞林格(Anton Zeilinger)共同在國(guó)際頂級(jí)科學(xué)期刊《自然》(Nature)雜志上發(fā)表論文，宣布在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了量子態(tài)隱形傳輸，潘建偉為第二作者，《Science》雜志將其列為年度全球十大科技進(jìn)展。1999年，潘建偉博士畢業(yè)準(zhǔn)備回國(guó)工作，卻發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)習(xí)慣了跟蹤國(guó)外科學(xué)，在國(guó)內(nèi)尚一片空白的量子科學(xué)研究甚至被認(rèn)為是偽科學(xué)。不料他們那篇關(guān)于“量子態(tài)隱形傳輸”的論文被 《Nature》雜志選為“百年物理學(xué)21篇經(jīng)典論文”。隨后，潘建偉申請(qǐng)的科研項(xiàng)目在國(guó)內(nèi)獲得批準(zhǔn)。

地面量子通信和星地量子通信是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子通信的兩條技術(shù)路線(xiàn)，前者將中繼器建在地上，而后者把衛(wèi)星當(dāng)中繼器，量子衛(wèi)星相對(duì)于地面的位置時(shí)刻變化[20]。20世紀(jì)末，奧地利等歐美國(guó)家率先開(kāi)展了地面量子通信，我國(guó)只能做跟跑者。但潘建偉很早就意識(shí)到地面短距離量子衛(wèi)星通信有其固有的局限性，要實(shí)現(xiàn)量子通信技術(shù)的重大突破，突破量子通信實(shí)用化的壁壘，并帶動(dòng)量子物理研究的重大突破，必須發(fā)射量子衛(wèi)星和開(kāi)展星地量子通信。

2001年潘建偉回國(guó)，他創(chuàng)造性地提出在太空中進(jìn)行量子密鑰分發(fā)的科學(xué)設(shè)想。在中國(guó)科學(xué)院基礎(chǔ)科學(xué)局、國(guó)家自然科學(xué)基金委的資助下，他在中國(guó)科技大學(xué)組建起量子物理與量子信息實(shí)驗(yàn)室。當(dāng)時(shí)他們向中國(guó)科學(xué)院基礎(chǔ)局申請(qǐng)了200萬(wàn)元經(jīng)費(fèi)，對(duì)方卻果斷撥款400萬(wàn)元。經(jīng)中國(guó)科學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)牽線(xiàn)，潘建偉與中國(guó)科學(xué)院技術(shù)物理研究所的王建宇開(kāi)始了十多年的合作。

2003年，潘建偉明確提出了星地量子通信概念。2005年，潘建偉和團(tuán)隊(duì)成員率先在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了13公里自由空間量子通信，驗(yàn)證了星地量子通信的可行性。

2.2 工程預(yù)研階段：中國(guó)科學(xué)院支持開(kāi)展量子通信地面攻關(guān)(2006—2011年)

在中國(guó)科學(xué)院物理所于淥院士、南京大學(xué)閔乃本院士等建議下，“量子調(diào)控”2006年被列入國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃，量子通信業(yè)得到了國(guó)家十一五、十二五計(jì)劃和863計(jì)劃的支持。

星地量子通信的地面攻關(guān)于2008年列入中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程重大項(xiàng)目，由中國(guó)科學(xué)院計(jì)財(cái)局、基礎(chǔ)局和高技術(shù)局三家聯(lián)合出資7500萬(wàn)元。大科學(xué)工程的預(yù)研是對(duì)工程建設(shè)的初步“演習(xí)”，是要對(duì)工程建設(shè)中攻克所有相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)與重要設(shè)備進(jìn)行加工,目標(biāo)是最大程度地降低工程風(fēng)險(xiǎn)[21]。與上海光源等通用性的、在地面上運(yùn)行的大科學(xué)工程相比，量子衛(wèi)星工程作為專(zhuān)用性很強(qiáng)、在空間運(yùn)行的科學(xué)裝置，科學(xué)目標(biāo)非常明確，設(shè)計(jì)完之后不可輕易更改，因此工程難度也更大、風(fēng)險(xiǎn)更高。

2008—2011年，在首席科學(xué)家潘建偉與項(xiàng)目總工程師王建宇的指導(dǎo)下，中國(guó)科技大學(xué)，中國(guó)科學(xué)院的上海技術(shù)物理研究所、光電研究所、上海小衛(wèi)星工程中心與上海光機(jī)所聯(lián)合開(kāi)展量子衛(wèi)星地面攻關(guān)，很好地完成了原理樣機(jī)在內(nèi)的工程預(yù)研。

2.3 工程攻堅(jiān)階段：中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)立項(xiàng)和研制(2011—2015年)

當(dāng)奧地利等國(guó)就量子衛(wèi)星項(xiàng)目還在不斷討論的時(shí)候，中國(guó)卻充分發(fā)揮社會(huì)主義集中力量辦大事的優(yōu)勢(shì)，果斷決策。2011年，量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星完成立項(xiàng)，被列入中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)首批科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星之一。潘建偉給這第一顆量子衛(wèi)星取名“墨子號(hào)”，是因?yàn)椤斑^(guò)去我們的科研跟跑的年數(shù)太久了，很多人甚至認(rèn)為好的東西都要跟在歐美后面才合理，這種感受很不好[22]。”

在為 “墨子號(hào)”制定科學(xué)目標(biāo)時(shí)，起初科學(xué)家團(tuán)隊(duì)只提出了空間量子通信實(shí)用化驗(yàn)證這一實(shí)用目標(biāo)，要“借助平臺(tái)，進(jìn)行星地高速量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行廣域量子密鑰網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)，以期在空間量子通信實(shí)用化方面取得重大突破?！焙髞?lái)擴(kuò)展到更偏向量子物理維度的科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究，要利用量子衛(wèi)星平臺(tái)所提供的在地面上難以配備的長(zhǎng)距離、大尺度的科學(xué)實(shí)驗(yàn)條件[23]，“在空間尺度進(jìn)行量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)，開(kāi)展空間尺度量子力學(xué)完備性檢驗(yàn)”等[24]。

在 “2011計(jì)劃”的支持下，2012年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、南京大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所、中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所、國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)聯(lián)合創(chuàng)建“量子信息與量子科技前沿協(xié)同創(chuàng)新中心[25]”。

“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星大科學(xué)工程是不同參與者有序分工、協(xié)同創(chuàng)新的過(guò)程。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)負(fù)責(zé)提出科學(xué)目標(biāo)，地面系統(tǒng)建設(shè)并參與衛(wèi)星載荷研制，完成科學(xué)實(shí)驗(yàn)。中國(guó)科技大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所負(fù)責(zé)共同驗(yàn)證“墨子號(hào)”的可行性，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理所也是衛(wèi)星載荷研制的總體單位。中國(guó)科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院負(fù)責(zé)研制衛(wèi)星平臺(tái)，并負(fù)責(zé)保障衛(wèi)星運(yùn)行。中國(guó)科學(xué)院三大天文臺(tái)(國(guó)家天文臺(tái)、紫金山天文臺(tái)和新疆天文臺(tái))負(fù)責(zé)提供天文觀測(cè)支持，并保障地面系統(tǒng)運(yùn)行。中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所負(fù)責(zé)地面接收望遠(yuǎn)鏡的研制，并保障其正常運(yùn)行。中國(guó)科學(xué)院上海光機(jī)所負(fù)責(zé)研制了部分激光器，并利用這個(gè)平臺(tái)搭載了高速激光通信試驗(yàn)設(shè)備。中國(guó)航天科技第八研究院研制生產(chǎn)了一發(fā)長(zhǎng)征二號(hào)丁運(yùn)載火箭，并負(fù)責(zé)將衛(wèi)星發(fā)射至預(yù)定軌道[26]。

在量子衛(wèi)星工程的研制中科學(xué)載荷系統(tǒng)是核心環(huán)節(jié)，具有很強(qiáng)的探索性和開(kāi)創(chuàng)性。量子密鑰通信機(jī)、量子實(shí)驗(yàn)控制與處理機(jī)、量子糾纏發(fā)射機(jī)，以及量子糾纏源這四個(gè)有效載荷是量子衛(wèi)星工程研制的核心。同時(shí)，瞄準(zhǔn)兩個(gè)地面站的高精度星地光路對(duì)準(zhǔn)、星載量子糾纏源、星地偏振態(tài)保持與基矢校正等工程級(jí)關(guān)鍵技術(shù)等，以及衛(wèi)星兩年的設(shè)計(jì)壽命，都是世界級(jí)難題。衛(wèi)星平臺(tái)復(fù)合姿態(tài)控制技術(shù)、天地鏈路的單光子接收也都難度極大。經(jīng)過(guò)潘建偉的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)與王建宇為主的工程研制團(tuán)隊(duì)通力配合，在中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心量子衛(wèi)星工程總體的管理下，才突破了上述一系列世界級(jí)技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了杰出的技術(shù)成就。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、彭承志等與中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理所王建宇、光電技術(shù)研究所黃永梅等組成聯(lián)合團(tuán)隊(duì),于2008—2011年在青海湖成功實(shí)現(xiàn)了百公里量級(jí)的自由空間量子態(tài)隱形傳輸和雙向糾纏分發(fā)，在國(guó)際上首次成功實(shí)現(xiàn)了星地量子密鑰分發(fā)的全方位地面驗(yàn)證[27]。

2.4 全球領(lǐng)先階段：量子衛(wèi)星發(fā)射和持續(xù)高水平的科研產(chǎn)出

2014年12月，量子衛(wèi)星完成衛(wèi)星初樣研制。2015年2月26日，《Nature》以封面標(biāo)題的形式發(fā)表了潘建偉、陸朝陽(yáng)等人的論文《單個(gè)光子的多個(gè)自由度的量子隱形傳態(tài)》。2016年6月，中國(guó)第一顆量子衛(wèi)星順利出廠。2016年6月16日，中國(guó)將世界上首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”成功發(fā)射升空，實(shí)現(xiàn)星地之間密鑰分發(fā)。發(fā)射成功后，德國(guó)、法國(guó)、加拿大、巴基斯坦等國(guó)的科研人員紛紛到中國(guó)取經(jīng)。

實(shí)現(xiàn)科學(xué)目標(biāo)是大科學(xué)工程的最終目的。量子衛(wèi)星發(fā)射升空后，中國(guó)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)在科學(xué)產(chǎn)出上捷報(bào)頻傳。國(guó)際學(xué)術(shù)期刊 《Science》刊載了2017年6月16日“墨子號(hào)”科學(xué)團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)公里級(jí)星地雙向量子糾纏分發(fā)和量子力學(xué)非定域性檢驗(yàn)[28]?！禨cience》審稿人認(rèn)為它是“兼具潛在實(shí)際應(yīng)用和基礎(chǔ)科研重要性的重大技術(shù)突破”“毫無(wú)疑問(wèn)將在學(xué)術(shù)界和廣大社會(huì)公眾中產(chǎn)生非常巨大的影響”。2017年8月10日,中國(guó)科學(xué)家利用“墨子號(hào)”在國(guó)際上首次成功實(shí)現(xiàn)了空間量子物理研究的另外兩項(xiàng)重大突破——從衛(wèi)星到地面的量子密鑰分發(fā)和從地面到衛(wèi)星的量子隱形傳態(tài)，其研究成果發(fā)表在 《Nature》上。至此，“墨子號(hào)”提前一年完成了全部既定科學(xué)目標(biāo)。這些世界紀(jì)錄為量子網(wǎng)絡(luò)和量子通信實(shí)驗(yàn)研究奠定了基礎(chǔ)[29]，標(biāo)志著我國(guó)量子通信一舉跨越到領(lǐng)跑階段。

2018年1月，中國(guó)量子衛(wèi)星協(xié)同創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)與奧地利科學(xué)院塞林格研究組合作。他們通過(guò)“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星，在中國(guó)和奧地利之間首次實(shí)現(xiàn)了距離長(zhǎng)達(dá)7600公里的洲際量子密鑰分發(fā)，并利用共享密鑰實(shí)現(xiàn)了加密數(shù)據(jù)傳輸和視頻通信。該成果標(biāo)志著“墨子號(hào)”已具備實(shí)現(xiàn)洲際量子保密通信的能力[30]。

3 “墨子號(hào)”量子衛(wèi)星大科學(xué)工程的管理特征

量子衛(wèi)星工程作為國(guó)家系統(tǒng)支持下的大科學(xué)工程，有明確的目標(biāo)導(dǎo)向、良好的頂層設(shè)計(jì)和制度保證，并獨(dú)具特色。

3.1 工程實(shí)施期間運(yùn)行“首席科學(xué)家+工程兩總”的管理模式

以往美國(guó)航空航天局(NASA)的科研體制中，首席科學(xué)家不僅負(fù)責(zé)科學(xué)問(wèn)題的攻關(guān)，還全面負(fù)責(zé)工程技術(shù)問(wèn)題。中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心于1997年提出的“地球空間雙星探測(cè)計(jì)劃”(又稱(chēng)為“雙星計(jì)劃”)是中國(guó)和歐洲合作的第一個(gè)科學(xué)探測(cè)衛(wèi)星項(xiàng)目[31]。 “雙星計(jì)劃”沿襲了美國(guó)NASA首席科學(xué)家制，除了負(fù)責(zé)科學(xué)研究活動(dòng)外，首席科學(xué)家劉振興院士還對(duì)該項(xiàng)計(jì)劃的所有工程技術(shù)活動(dòng)負(fù)責(zé)。

在繼承中國(guó) “兩彈一星”工程的組織模式和借鑒西方首席專(zhuān)家制的基礎(chǔ)上，中國(guó)空間領(lǐng)域的大科學(xué)工程創(chuàng)造性地發(fā)展出“首席科學(xué)家+工程兩總”制[32]，量子衛(wèi)星也采用了這樣的管理結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1)，其中的 “工程兩總”是指工程總設(shè)計(jì)師系統(tǒng)和工程總指揮。

在探月工程中，中國(guó)特色的“首席科學(xué)家+工程兩總”管理模式已頗具雛形。但量子衛(wèi)星工程對(duì)這一模式有所改進(jìn)和發(fā)展，首席科學(xué)家潘建偉被賦予了“一票否決權(quán)”，擁有更高的權(quán)限和地位。正如習(xí)近平同志所言的要“強(qiáng)化自主創(chuàng)新成果的源頭供給[33]”，科學(xué)家團(tuán)隊(duì)的原創(chuàng)性思想是量子衛(wèi)星工程的靈魂。王建宇擔(dān)任量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星工程常務(wù)副總設(shè)計(jì)師、衛(wèi)星系統(tǒng)總指揮，提出了量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的總體技術(shù)方案，負(fù)責(zé)衛(wèi)星載荷、天地一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，指導(dǎo)建立了天地一體量子通信科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并負(fù)責(zé)處理工程日程事務(wù)。中國(guó)航天科技集團(tuán)公司第八研究院徐博明擔(dān)任量子衛(wèi)星工程總師，中國(guó)科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院、上海微小衛(wèi)星工程研究中心朱振才擔(dān)任量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星系統(tǒng)總師，對(duì)于該工程順利完成發(fā)揮了很大作用。中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心抓總量子衛(wèi)星工程。

3.2 分布式天地大系統(tǒng)為平臺(tái)的協(xié)同創(chuàng)新

“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星工程除了研制一顆 “量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”外，還需要建設(shè)好由衛(wèi)星系統(tǒng)、火箭系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)、發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)、地面接收系統(tǒng)以及科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)這六大系統(tǒng)組成的天地大系統(tǒng)。每一分系統(tǒng)由項(xiàng)目不同參與者通過(guò)柔性項(xiàng)目制參與，進(jìn)行系統(tǒng)式創(chuàng)新。

科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)正是量子衛(wèi)星工程區(qū)別于一般大科學(xué)工程的獨(dú)特之處，畢竟大科學(xué)工程是基于科學(xué)又為了科學(xué)的工程[34]。該系統(tǒng)負(fù)責(zé)科學(xué)產(chǎn)出和發(fā)布科學(xué)成果，由4個(gè)量子通信地面站和1個(gè)空間量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)站構(gòu)成[35]。

每個(gè)子系統(tǒng)按照項(xiàng)目集群的方式，兼顧學(xué)科性質(zhì)去部署科研任務(wù)。每個(gè)子系統(tǒng)亦設(shè)有“工程兩總”，分別負(fù)責(zé)項(xiàng)目設(shè)計(jì)與項(xiàng)目管理。在“工程兩總”領(lǐng)導(dǎo)下的技術(shù)活動(dòng)采用計(jì)劃控制下的多項(xiàng)目管理[36]。在科學(xué)目標(biāo)導(dǎo)引下，項(xiàng)目組通過(guò)領(lǐng)導(dǎo)層的快速?zèng)Q策和對(duì)多兵團(tuán)的精誠(chéng)管理，降低科技創(chuàng)新的成本與風(fēng)險(xiǎn)，有效挖掘、整合和利用不同分系統(tǒng)的創(chuàng)新資源，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)協(xié)同創(chuàng)新[37]。

3.3 首席科學(xué)家權(quán)威下參與者有效融合的管理機(jī)制

工程共同體概念近年在國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)界受到普遍關(guān)注，學(xué)者們認(rèn)為，區(qū)別于結(jié)構(gòu)同質(zhì)的科學(xué)共同體和相對(duì)同質(zhì)的技術(shù)共同體而言，工程活動(dòng)共同體是由工程師、工人、投資者、管理者和受眾等利益相關(guān)者構(gòu)成的異質(zhì)共同體[38]。張秀華曾研究了工程活動(dòng)共同體講時(shí)效的協(xié)同主義等維系機(jī)制[39]。不過(guò)，以往研究相對(duì)忽略了大科學(xué)工程這類(lèi)特殊的工程。對(duì)此，本文提出大科學(xué)工程共同體的概念。大科學(xué)工程集科學(xué)研究、技術(shù)開(kāi)發(fā)和工程建設(shè)三者于一身，大科學(xué)工程共同體主要由工程管理者、首席科學(xué)家率領(lǐng)的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)、承擔(dān)不同分系統(tǒng)任務(wù)與具體項(xiàng)目的工程師團(tuán)隊(duì)構(gòu)成，這些不同行動(dòng)者與利益相關(guān)者長(zhǎng)期合作、有效融合，共同完成大科學(xué)工程。

面向國(guó)家量子通信的重大戰(zhàn)略需求是“墨子號(hào)”工程發(fā)展的基本動(dòng)力，而工程的順利完成也關(guān)乎科學(xué)家和工程師的切身利益，如職稱(chēng)晉升、社會(huì)認(rèn)同和個(gè)人聲譽(yù)等利益保障。工程實(shí)施中科學(xué)家、工程師與管理者的彼此信任與有效溝通是維系工程的重要微觀機(jī)制?？茖W(xué)家總有新創(chuàng)意，工程師卻追求穩(wěn)定和低風(fēng)險(xiǎn)。王建宇曾說(shuō)，“對(duì)于做衛(wèi)星工程的人來(lái)說(shuō)，沒(méi)有99%，必須做到萬(wàn)無(wú)一失[40]?！?/p>

對(duì)于工程師團(tuán)隊(duì)的重要作用，潘建偉有清醒的認(rèn)識(shí)，他曾指出“量子衛(wèi)星的難點(diǎn)就在于工程技術(shù)，因?yàn)檫M(jìn)入量子尺度后，許多符合宏觀物理學(xué)原理的經(jīng)典器件都遇到了麻煩[41]。”此外，科學(xué)家團(tuán)隊(duì)與工程師團(tuán)隊(duì)形成了有效的溝通制度。在早期階段，為幫助工程技術(shù)人員理解量子衛(wèi)星的科學(xué)目標(biāo)及量子通信原理，科學(xué)家們做了十幾場(chǎng)學(xué)術(shù)報(bào)告。為了幫助工程研制人員了解在軌科學(xué)實(shí)驗(yàn)流程，工程總體組和科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)的人員一同編制了《量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星工程天地一體化實(shí)驗(yàn)流程分析報(bào)告》?！澳犹?hào)”常務(wù)副總設(shè)計(jì)師王建宇還擔(dān)任中國(guó)科學(xué)院上海分院副院長(zhǎng)這一職務(wù)，雖然行政事務(wù)繁忙，做科學(xué)載荷出身的他經(jīng)常在周末扎進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，了解量子衛(wèi)星工程技術(shù)的內(nèi)在機(jī)理。科學(xué)家們也仔細(xì)了解工程師的設(shè)計(jì)思維和技術(shù)難度，聽(tīng)取工程師的建議。正因如此，“墨子號(hào)”實(shí)現(xiàn)了高效的創(chuàng)新。當(dāng)然，首席科學(xué)家的學(xué)術(shù)權(quán)威、社會(huì)威望，以及工程總設(shè)計(jì)師的組織領(lǐng)導(dǎo)才能和個(gè)人特質(zhì)也是大科學(xué)工程得以高效運(yùn)轉(zhuǎn)的重要因素。

此外， “墨子號(hào)”涉及大量核心技術(shù)和科學(xué)機(jī)理研究，工程風(fēng)險(xiǎn)較高，大科學(xué)工程共同體內(nèi)不同參與者之間的通力合作則有利于及時(shí)、準(zhǔn)確地識(shí)別和化解風(fēng)險(xiǎn)?！澳犹?hào)”量子衛(wèi)星原計(jì)劃在2016年7月?lián)駲C(jī)發(fā)射。但在發(fā)射前卻發(fā)現(xiàn)激光器能量快速下降，如盲目發(fā)射，“墨子號(hào)”可能變成一個(gè)“瞎子”[42]。對(duì)于是否延期發(fā)射，共同體內(nèi)的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)與工程師團(tuán)隊(duì)存在兩種不同意見(jiàn)。最終雙方達(dá)成一致，決定先解決問(wèn)題，推遲一個(gè)月發(fā)射。之后，大家加班加點(diǎn)，為解決問(wèn)題各顯身手，以確?？茖W(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)[23]。問(wèn)題很快解決，最終“墨子號(hào)”于同年8月中旬升空。

3.4 積極開(kāi)展國(guó)際交流與合作

因量子信息研究集多學(xué)科于一體，必須有不同學(xué)科背景的人才方能取得科學(xué)突破。潘建偉一開(kāi)始就有計(jì)劃地派學(xué)生到歐美先進(jìn)機(jī)構(gòu)學(xué)習(xí)不同的方向，這些學(xué)生回國(guó)后在學(xué)科上互補(bǔ)，為量子通信的基礎(chǔ)科研打下了良好基礎(chǔ)。而且，量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星在保障我國(guó)科學(xué)發(fā)現(xiàn)優(yōu)先權(quán)的基礎(chǔ)上，較早地實(shí)現(xiàn)了向世界開(kāi)放。潘建偉與他在奧地利的老師塞林格教授團(tuán)隊(duì)在“墨子號(hào)”上有很好的合作。今后，我國(guó)量子通信的國(guó)際合作將拓展到德國(guó)、意大利、加拿大等國(guó)。

4 “墨子號(hào)”量子衛(wèi)星大科學(xué)工程管理的問(wèn)題及建議

4.1 “墨子號(hào)”折射出的大科學(xué)工程管理的普遍性問(wèn)題

量子衛(wèi)星作為我國(guó)在國(guó)際上“領(lǐng)跑”型的大科學(xué)工程，其工程管理過(guò)程中暴露出的一些問(wèn)題在我國(guó)大科學(xué)工程中具有一定的代表性：

(1)20世紀(jì)下半葉，不管政治、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)因素如何變化，我國(guó)空間技術(shù)始終得到黨和政府的最大支持，得以迅速發(fā)展[43]，但國(guó)家對(duì)空間科學(xué)的重視較弱。美國(guó)航空航天局一般是先制定好較完備的空間科學(xué)規(guī)劃，再立項(xiàng)研究。而直到2016年“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星發(fā)射那一年，我國(guó)才由中國(guó)科學(xué)院發(fā)布了述及量子衛(wèi)星的《2016—2030年空間科學(xué)規(guī)劃研究報(bào)告》[44]。因缺乏長(zhǎng)期規(guī)劃，科研經(jīng)費(fèi)來(lái)源一直是科學(xué)家們擔(dān)心的話(huà)題。

實(shí)踐十號(hào)返回式衛(wèi)星、量子衛(wèi)星、暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星和硬X射線(xiàn)調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星等科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星取得成功后，國(guó)家在“十三五”規(guī)劃、“十四五”規(guī)劃中繼續(xù)部署了對(duì)中國(guó)科學(xué)院科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的支持。2016年“量子調(diào)控與量子信息”成為國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃優(yōu)先啟動(dòng)重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)，2017年5月國(guó)家自然科學(xué)基金委與中國(guó)科學(xué)院共同出資設(shè)立了空間科學(xué)衛(wèi)星科學(xué)研究聯(lián)合基金[45]，不過(guò)上述科研資助渠道偏向基礎(chǔ)研究，卻未述及今后新型量子衛(wèi)星的研發(fā)。

(2)耗資巨大、顯示度高的航天高科技工程往往萬(wàn)眾矚目。我國(guó)公眾和媒體對(duì)航天工程有著很高的期望，甚至要求“只可成功不可失敗”，但航天科技的發(fā)展必定是高風(fēng)險(xiǎn)的、破壞性創(chuàng)新的過(guò)程。因此，管理者、科學(xué)家和工程師們往往內(nèi)心長(zhǎng)期緊繃一根弦，這種狀態(tài)不利于科研的長(zhǎng)期發(fā)展。

(3)很多科研單位都招聘一定的工程技術(shù)人員，與從事基礎(chǔ)研究的人員相比，工程技術(shù)人員的職稱(chēng)晉升和發(fā)展空間相對(duì)受限。在考核時(shí)與科學(xué)家“一視同仁”，只看文章和專(zhuān)利，而忽視了工程技術(shù)人員在型號(hào)任務(wù)中的貢獻(xiàn)，這樣就難免挫傷團(tuán)隊(duì)中工程技術(shù)人員的積極性。

4.2 改進(jìn)大科學(xué)工程管理的幾點(diǎn)建議

現(xiàn)在歐美等國(guó)相繼啟動(dòng)了量子專(zhuān)項(xiàng)計(jì)劃，為了保持我國(guó)在量子通信領(lǐng)域的國(guó)際領(lǐng)先地位，嘗試提出以下政策建議：

一是頂層設(shè)計(jì)要考慮長(zhǎng)期支持重要方向。對(duì)于量子衛(wèi)星工程這類(lèi)科學(xué)目標(biāo)明確、公眾參與度高、科研基礎(chǔ)雄厚、能長(zhǎng)遠(yuǎn)推動(dòng)國(guó)計(jì)民生的項(xiàng)目，國(guó)家需要有選擇性地制定發(fā)展規(guī)劃和長(zhǎng)期支持。為了保持我國(guó)在量子通信領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，有必要繼續(xù)開(kāi)展量子通信工程技術(shù)研究，相關(guān)研究需要得到國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)的后續(xù)支持。

二是完善針對(duì)工程技術(shù)人才的科技評(píng)價(jià)。工程技術(shù)人員和科學(xué)家都是大科學(xué)工程中創(chuàng)新活動(dòng)的主體，要激發(fā)工程技術(shù)的潛能，需要制定科學(xué)合理的評(píng)價(jià)體系。中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所針對(duì)偏向工程和偏向理論基礎(chǔ)的科研人員專(zhuān)門(mén)制定了不同的評(píng)價(jià)方法。對(duì)于工程師的職稱(chēng)評(píng)定主要看完成了哪些工程項(xiàng)目，是否牽頭突破了工程技術(shù)和研發(fā)出高科技產(chǎn)品。不過(guò)工程技術(shù)人員因缺少論文和專(zhuān)利，在申請(qǐng)國(guó)家科研項(xiàng)目時(shí)依舊沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，上升空間狹窄。未來(lái)，還需要為工程技術(shù)人員的職業(yè)發(fā)展和資源獲得提供更多機(jī)會(huì)。

三是培育包容自勵(lì)的創(chuàng)新環(huán)境和推進(jìn)科學(xué)傳播?？茖W(xué)研究倡導(dǎo)學(xué)術(shù)自由探索，社會(huì)公眾和媒體環(huán)境應(yīng)對(duì)大科學(xué)工程的風(fēng)險(xiǎn)有一定的準(zhǔn)備，因此應(yīng)努力創(chuàng)建寬松、和諧、向上的科研氛圍，推動(dòng)科研人員求真務(wù)實(shí)、大膽創(chuàng)新，產(chǎn)生更多原創(chuàng)性科學(xué)思想。此外，由于科學(xué)傳播工作不足，有些人混淆了量子通信與量子衛(wèi)星上開(kāi)展的量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)。而量子糾纏本身的學(xué)術(shù)爭(zhēng)議是正?，F(xiàn)象。也正因存在爭(zhēng)議，量子通信的科研才更有意義。做好科學(xué)傳播，可增進(jìn)公眾對(duì)量子衛(wèi)星這類(lèi)大科學(xué)工程的理解和支持。

綜上所述，目前，我國(guó)正致力于建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家，科技發(fā)展正努力從“跟蹤”到“并行”再到“領(lǐng)跑”。我國(guó)地面量子通信遵循的是后來(lái)者的“趕超”路線(xiàn)，2017年京滬干線(xiàn)的開(kāi)通標(biāo)志著我國(guó)在該領(lǐng)域達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，而“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星卻以潘建偉等海歸科學(xué)家的原創(chuàng)性思想為源頭，在政府的果斷決策和可靠的資源保障下，依托科學(xué)高效的管理模式，2016年便在世界上首次實(shí)現(xiàn)了星地通信，憑借“彎道超車(chē)”達(dá)到全球領(lǐng)先，大大促進(jìn)了我國(guó)量子通信的實(shí)用化和量子物理研究的發(fā)展。這些對(duì)我國(guó)大科學(xué)工程的組織管理和中國(guó)式科技創(chuàng)新多有借鑒意義。