“量子衛(wèi)星項(xiàng)目是我實(shí)現(xiàn)抱負(fù)的舞臺(tái)”
——訪中科院上海技術(shù)物理研究所張亮副研究員

張亮

2016年8月16日，我國(guó)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”發(fā)射升空，引起世界范圍內(nèi)的關(guān)注，因?yàn)檫@是全球首顆成功發(fā)射的量子衛(wèi)星，這一科技突破使得我國(guó)在量子通信激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中搶占了主動(dòng)權(quán)。要實(shí)現(xiàn)量子通信的功能，離不開衛(wèi)星的有效載荷，中科院上海技術(shù)物理研究所承擔(dān)了量子衛(wèi)星載荷總體單位的重任。這其中，張亮和他的同事們研制了量子密鑰通信機(jī)和量子糾纏發(fā)射機(jī)兩項(xiàng)有效載荷，攻克了建立低損耗、高可靠的星地量子通信光電鏈路等科學(xué)難題，相關(guān)工作經(jīng)媒體報(bào)道和科學(xué)院表彰后廣受好評(píng)。筆者在前兩年采訪墨子號(hào)量子衛(wèi)星工程常務(wù)副總設(shè)計(jì)師、衛(wèi)星總指揮王建宇時(shí)，提到這位年輕后生時(shí)他也是稱譽(yù)有加。所以看到2019年啟明星入選名單中有張亮?xí)r，就有一種親切感。也因此我們聯(lián)系采訪了這位上海技物所量子項(xiàng)目組青年團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人，希望從他的口中了解到更多關(guān)于量子衛(wèi)星背后的故事。

中科大學(xué)習(xí)，奠定日后研究根底

張亮1985年出生于山東省臨清市的一個(gè)普通農(nóng)村家庭。用張亮自己的話說，初二以前，他的學(xué)習(xí)成績(jī)很一般，也許當(dāng)時(shí)的他對(duì)學(xué)習(xí)還沒有開竅，加上喜歡跟小伙伴們一起“瘋玩”。初中后換到了市區(qū)學(xué)校，玩伴少了，這樣就把更多的心思放在學(xué)習(xí)上，成績(jī)一下子有了很大的提升，從初二到整個(gè)高中，他的成績(jī)一直保持在班級(jí)里數(shù)一數(shù)二?！案呖紩r(shí)沒考出自己應(yīng)有的成績(jī)，這樣就填報(bào)了中國(guó)科技大學(xué)的精密機(jī)械與精密儀器專業(yè)?！?/p>

雖然沒能上自己理想的學(xué)校，但中科大濃厚的學(xué)習(xí)氛圍讓他悟到這是一個(gè)能讓人沉下心來學(xué)習(xí)知識(shí)、做科研的地方。在這里，白天圖書館、自修室里一座難求，很多同學(xué)早上五六點(diǎn)就會(huì)去圖書館占位置。而到了晚上，尤其是熄燈以后，還會(huì)有很多人跑到大廳、洗衣房等公共區(qū)域繼續(xù)看書，實(shí)驗(yàn)室經(jīng)常燈火通明。

大一時(shí)（2002年），張亮自薦當(dāng)了班級(jí)的學(xué)習(xí)委員。大二時(shí)，他參加了學(xué)校的機(jī)器人設(shè)計(jì)比賽，那時(shí)他開始接觸到傳感、遙控等光機(jī)電概念。這次組隊(duì)參賽，張亮的知識(shí)應(yīng)用能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力都得到了鍛煉，但他也深感與之相關(guān)的光機(jī)電知識(shí)體系十分龐大，必須努力學(xué)習(xí)掌握更多的知識(shí)。于是，大三時(shí)，他選修了關(guān)于電子信息科學(xué)與技術(shù)的雙學(xué)位課程。主修課程注重基本的物理知識(shí)、光學(xué)工程、機(jī)械傳感等，選修的課程則注重電子與計(jì)算機(jī)相關(guān)的知識(shí)，兩者互為補(bǔ)充。事實(shí)上，張亮后來的研究方向選擇與選修的課程有十分緊密的聯(lián)系，他現(xiàn)在的工作是系統(tǒng)集成技術(shù)的研究，這些研究大多是建立在電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的基礎(chǔ)之上的，但同時(shí)又應(yīng)用了很多精密機(jī)械方面的知識(shí)?？梢哉f，兩個(gè)專業(yè)的課程學(xué)習(xí)為他日后的研究奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。

回憶大學(xué)生活，張亮大二暑假時(shí)生病住院做了手術(shù)，整個(gè)住院及醫(yī)藥費(fèi)的報(bào)銷都是輔導(dǎo)員和同學(xué)們幫忙，這讓他至今感到溫暖。當(dāng)時(shí)上網(wǎng)吧打游戲之風(fēng)已經(jīng)彌漫到校園，張亮也曾沉迷于中，但那場(chǎng)病讓他痛悟到必須有所改變，決不能再一直坐在電腦前。

整個(gè)本科階段，張亮還是保持了自己一貫的“優(yōu)良傳統(tǒng)”——系年級(jí)第一。這讓他在保研時(shí)有很大的優(yōu)勢(shì)：除了中科大以外，還可以選擇其他院校。中科大與中科院一直有良好的研究生聯(lián)合培養(yǎng)機(jī)制，當(dāng)時(shí)中科院的上海技術(shù)物理研究所（以下簡(jiǎn)稱技物所）在畢業(yè)生中的口碑特別好，張亮有幾個(gè)師兄也去了技物所，所以張亮把技物所作為了首選。

技物所攻博，有幸結(jié)緣好項(xiàng)目

2006年，張亮來到上海技物所，師從王建宇老師。王建宇是在空間光電技術(shù)和衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究領(lǐng)域有很深造詣的科學(xué)家，是后來大家所熟知的“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星的常務(wù)副總設(shè)計(jì)師?！爱?dāng)時(shí)其實(shí)對(duì)技物所的導(dǎo)師們不熟，我就跟著同學(xué)一起選擇了王老師，現(xiàn)在看來，我真的很幸運(yùn)。”張亮回憶道。

張亮原以為到技物所做的都是高大上的研究，但沒想到一開始是幫一家公司研制一臺(tái)機(jī)器。張亮回憶，當(dāng)時(shí)科研條件遠(yuǎn)不如現(xiàn)在這么好，為了緩解經(jīng)費(fèi)壓力，來自企業(yè)的橫向課題占了一定的比例。不過，橫向課題的這段經(jīng)歷也讓他有了更多機(jī)械方面的積累。

2008年，為了驗(yàn)證量子衛(wèi)星發(fā)射是否在技術(shù)上可行，中科院設(shè)立了一個(gè)重大預(yù)研項(xiàng)目，即為量子衛(wèi)星做關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和地面實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，如果驗(yàn)證可行，則下一步將正式立項(xiàng)量子衛(wèi)星工程項(xiàng)目，這也是奠定后期研究基礎(chǔ)非常關(guān)鍵的一步。這是一個(gè)大項(xiàng)目，主要承擔(dān)者、中科大的潘建偉教授找到了在工程上經(jīng)驗(yàn)豐富的王建宇老師，邀請(qǐng)他擔(dān)任工程總負(fù)責(zé)人。張亮解釋道：“當(dāng)時(shí)的分工是，潘老師團(tuán)隊(duì)主要負(fù)責(zé)提出科學(xué)目標(biāo)及研究量子信號(hào)生成與處理，而我們這邊負(fù)責(zé)將科學(xué)目標(biāo)轉(zhuǎn)換為工程技術(shù)語言以及牽頭衛(wèi)星載荷系統(tǒng)實(shí)施。”

張亮的研究生涯可以說是從這個(gè)項(xiàng)目開始的，他參與了光機(jī)載荷和外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證兩個(gè)子課題（另外的子課題包括量子通信電子學(xué)等），光機(jī)載荷的控制算法與光電技術(shù)也成了他博士課題的核心工作。

目前，空間光傳輸仍然是困擾科學(xué)家的一大難題，需要將光信號(hào)從天上發(fā)到地面并且準(zhǔn)確無誤地接收。特別是對(duì)于量子信號(hào)，其發(fā)散角非常窄，要使發(fā)射的信號(hào)在快速（高速運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星移動(dòng)速度7.8公里/秒）移動(dòng)過程中（移動(dòng)距離從500公里到2 000公里的高度）能夠始終精確對(duì)準(zhǔn)地面的接收站，其難度如同從萬米高空飛行的飛機(jī)上連續(xù)不斷地把一枚枚硬幣準(zhǔn)確投入地面上一個(gè)旋轉(zhuǎn)著的儲(chǔ)蓄罐內(nèi)。這是一個(gè)系統(tǒng)工程，張亮在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，從算法、設(shè)計(jì)到器件、工藝、裝配等，一個(gè)個(gè)技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行攻關(guān)，完成了精確跟蹤控制子系統(tǒng)的研制。

三入青海湖，為項(xiàng)目踩點(diǎn)做驗(yàn)證

為了實(shí)地驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性，需要完成一系列的過程：選點(diǎn)-驗(yàn)證-改進(jìn)-再驗(yàn)證-再改進(jìn)，這個(gè)過程花費(fèi)了兩年多時(shí)間。

2008，繞湖登山選點(diǎn)2008年10月，在導(dǎo)師的帶領(lǐng)下張亮初次來到青海湖，為后續(xù)的驗(yàn)證選擇具體的測(cè)試點(diǎn)。青海湖地區(qū)能見度高，且地域足夠大（繞湖一周400公里），在這里找到相距100公里能見度達(dá)標(biāo)的測(cè)試點(diǎn)是有可能的。10月的青海湖已經(jīng)非常冷，張亮與小伙伴們?yōu)榱苏业阶罴褱y(cè)試點(diǎn)，通常是在一天起霧最少的傍晚時(shí)分摸黑到零下10攝氏度的山上進(jìn)行測(cè)試選點(diǎn)。

2009，冒險(xiǎn)完成車載實(shí)驗(yàn)在完成選點(diǎn)后的2009年8月，張亮和團(tuán)隊(duì)小伙伴們?cè)偕锨嗪：?，這次是把研制的關(guān)鍵儀器帶到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行驗(yàn)證。他們首先用車載測(cè)試來模擬衛(wèi)星的移動(dòng)。為了盡可能減少對(duì)量子信號(hào)的干擾，在交通主道上進(jìn)行的車載測(cè)試甚至連燈都不敢打開，因?yàn)闊艄鈺?huì)影響量子信號(hào)測(cè)試的準(zhǔn)確性。在車來車往的交通主道上一輛沒有開燈的車在行駛是有安全之虞的。事后有人說他們是在“用生命做實(shí)驗(yàn)”。經(jīng)過一個(gè)月的測(cè)試后，他們帶著大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回去了。

2010，完成熱氣球量子密鑰分配實(shí)驗(yàn)經(jīng)過又一年的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，2010年7月，張亮帶著改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)儀器第三次出現(xiàn)在青海湖。這一次，他們選擇用熱氣球來驗(yàn)證載荷的動(dòng)態(tài)跟蹤能力，即在距離地面幾十米的熱氣球上將量子信號(hào)發(fā)射到地面目標(biāo)并接收，這樣的模擬更接近實(shí)際情況。然而，困難重重，光是熱氣球的升空就經(jīng)歷了多次失敗。晚上風(fēng)大、不穩(wěn)定、溫差大等都是測(cè)試的不利因素，在熱氣球上進(jìn)行測(cè)試也有一定的危險(xiǎn)性。但最終憑借著堅(jiān)強(qiáng)的毅力，一次又一次的失敗后他們最終成功完成了熱氣球量子密鑰分配實(shí)驗(yàn)。

正在準(zhǔn)備熱氣球量子密鑰分配實(shí)驗(yàn)

臨意外考驗(yàn)，排除萬難建功業(yè)

令張亮沒想到的是，這次測(cè)試更大的考驗(yàn)還在后面。在做100公里定點(diǎn)量子通信實(shí)驗(yàn)時(shí)，他們像之前一樣往山上運(yùn)設(shè)備，但沒想到汽車在急轉(zhuǎn)彎時(shí)，整個(gè)設(shè)備被甩到了地上，摔成了三段，零部件也都散落開來，所有人一下子懵了。這個(gè)項(xiàng)目從一開始，張亮就全程深度參與，他當(dāng)然清楚這臺(tái)設(shè)備凝聚了多少人的心血，花費(fèi)的時(shí)間和成本有多高！是時(shí)還在讀研究生的他有點(diǎn)手足無措，既擔(dān)心昂貴的設(shè)備損失，又擔(dān)心項(xiàng)目的進(jìn)展受到影響。忐忑之中他撥通了王建宇老師的電話，王老師的話就像一顆定心丸：“人沒事，那就沒事！先回上海，我們把設(shè)備修好明年再來?！?/p>

平靜下來以后，張亮又抖擻精神，立馬查看所有部件的損壞情況。不幸中的大幸，設(shè)備的關(guān)鍵部件（光學(xué)望遠(yuǎn)鏡）沒有損壞，這就說明這臺(tái)設(shè)備還有救。張亮決定調(diào)整策略：暫時(shí)不回上海，留下來力爭(zhēng)把它修好繼續(xù)進(jìn)行測(cè)試?！霸O(shè)備都是我一步步親自參與裝配起來的，因此我很熟悉，當(dāng)看到那個(gè)關(guān)鍵部件沒有損壞時(shí)我心里就有底了，設(shè)備應(yīng)該可以修復(fù)，并且我們還要搶時(shí)間進(jìn)度。” 張亮回憶道。他們把散掉的碎片化儀器一一拼裝檢測(cè)修復(fù)，完全損壞不能修的部件就讓同事從上海帶過來。經(jīng)二十多天的徹夜搶修，借助帶過去的檢測(cè)和裝配設(shè)備，張亮與這些年輕的小伙伴們竟然把設(shè)備修復(fù)好了。

盡管團(tuán)隊(duì)沒日沒夜地在搶進(jìn)度，但設(shè)備修復(fù)好時(shí)大雪已經(jīng)開始封山，如果再不去實(shí)驗(yàn)，那么就要等到第二年了。大家最后還是踩著雪到海拔3 500米高的選定點(diǎn)上進(jìn)行了測(cè)試。寒冷和高原反應(yīng)讓這群年輕人吃盡了苦頭。日落后的一小時(shí)內(nèi)是最佳的實(shí)驗(yàn)時(shí)間，超過一小時(shí)，水汽開始變大，水汽系數(shù)太高時(shí)光信號(hào)的透過率會(huì)急劇下降。雖然實(shí)驗(yàn)只有一個(gè)小時(shí)時(shí)間，但每天的前期準(zhǔn)備工作都要做足，在溫度極低的山上，光是讓設(shè)備熱起來都要兩三個(gè)小時(shí)。這次的百公里定點(diǎn)實(shí)驗(yàn)旨在驗(yàn)證100公里跨距的大氣鏈路量子通信是否可行。因?yàn)榇髿庵械耐牧魇怯绊懥孔渔溌沸实年P(guān)鍵因素，如果100公里長(zhǎng)度能夠克服湍流影響，那么衛(wèi)星通信就基本無虞。

為了充分驗(yàn)證，確保實(shí)驗(yàn)過程的可靠性和可行性，張亮帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)三入青海湖，幾乎跑遍了湖區(qū)的每個(gè)點(diǎn)。諸多曲折后，團(tuán)隊(duì)最后成功達(dá)到了預(yù)定的計(jì)劃目標(biāo)，完成了世界首次熱氣球浮空平臺(tái)和近百公里量子密鑰分配實(shí)驗(yàn)，相關(guān)成果發(fā)表在了世界頂級(jí)期刊《自然-光子學(xué)》（Nature Photonic）上，也被國(guó)際同行評(píng)價(jià)為“人類向天地量子保密通信邁出的重要一步”。

在賓館修復(fù)設(shè)備

十年磨一劍，完成星地對(duì)接

臨近畢業(yè)，預(yù)研項(xiàng)目也接近了尾聲，張亮在這個(gè)項(xiàng)目上的出色表現(xiàn)王老師都看在眼里。由于預(yù)研項(xiàng)目的成功，墨子號(hào)天地量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)通信衛(wèi)星工程項(xiàng)目也即將立項(xiàng)，王老師希望他能留下來。作為當(dāng)今世界通信領(lǐng)域的熱門新寵，量子通信引起了國(guó)際科學(xué)界的極大關(guān)注，各國(guó)競(jìng)相研發(fā)和拼力角逐，因此這個(gè)項(xiàng)目對(duì)任何該領(lǐng)域的科學(xué)家而言都有極大的吸引力，更何況張亮已經(jīng)在這個(gè)項(xiàng)目的前期投入了幾乎自己的全部心力，未來，他一定能在量子通信衛(wèi)星的研發(fā)中得到更大的鍛煉和收獲，他無懸念地選擇了留下。

然而，理想很豐滿，現(xiàn)實(shí)卻是骨感的，在研制的過程中碰到的挑戰(zhàn)超乎了張亮的想象，曾經(jīng)一度他覺得項(xiàng)目要做不下去了。

墨子號(hào)上搭載了四個(gè)主載荷，上海技物所是載荷總體單位，牽頭研制量子密鑰通信機(jī)和量子糾纏發(fā)射機(jī)（中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)牽頭研制量子糾纏源、量子實(shí)驗(yàn)控制與處理機(jī)）。所謂量子密鑰通信就是在衛(wèi)星和地面之間建立并共享一串密鑰，以保證通訊的安全可靠。這個(gè)密鑰通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，量子力學(xué)的基本特性使得即使傳輸中的信號(hào)被人截獲，竊聽者也不可能獲得任何有意義的信息。量子糾纏發(fā)射機(jī)主要是為了驗(yàn)證物理學(xué)上的量子糾纏科學(xué)原理，在地面驗(yàn)證衛(wèi)星上的信號(hào)（1 000公里或更遠(yuǎn)的距離）是否存在瞬時(shí)感應(yīng)的現(xiàn)象，即量子對(duì)是否有糾纏。需要指出的是，未來可望應(yīng)用到量子密鑰通信上的量子糾纏目前還在實(shí)驗(yàn)探索階段。

張亮在以上項(xiàng)目中負(fù)責(zé)量子密鑰通信機(jī)的設(shè)計(jì)、研制和驗(yàn)證等。雖然他負(fù)責(zé)研制的是密鑰通信機(jī)，但它需要具備量子密鑰、量子糾纏和量子隱形傳輸（主要通過量子糾纏來傳輸粒子的量子態(tài)，目前只能傳輸一個(gè)光子）這三個(gè)功能，是量子號(hào)上四個(gè)載荷中功能最全的設(shè)備。此外，張亮還牽頭負(fù)責(zé)四個(gè)載荷的總體聯(lián)測(cè)。

星地對(duì)接

雖然前期已經(jīng)做過大量的地面實(shí)驗(yàn)論證工作，但畢竟地面實(shí)驗(yàn)和星地實(shí)驗(yàn)是很不一樣的。星地量子信號(hào)的傳輸對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的研制要求極高，在攻克了衛(wèi)星與地面接收站的微弧度高精度跟瞄、高保偏量子信號(hào)偏振調(diào)制等一個(gè)個(gè)載荷工程研發(fā)中的核心技術(shù)問題后，如何能保證100%的成功率成了又一難點(diǎn)。因?yàn)閷?duì)于工程項(xiàng)目而言，100%的成功率是一個(gè)必備指標(biāo)。換言之就算成功了99次，執(zhí)行任務(wù)那一次失敗了，就算失敗了。

以靈敏度高而著稱的單光子探測(cè)器件為例，迄今為止，這個(gè)器件在美國(guó)也只進(jìn)行過一次衛(wèi)星測(cè)試，我國(guó)是世界上首次在衛(wèi)星上正式使用此器件的國(guó)家。研究團(tuán)隊(duì)在地面模擬太空輻照實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，太空中的大量高能粒子輻射會(huì)對(duì)該探測(cè)器件造成損傷，其壽命在太空中只有一個(gè)星期，但是整個(gè)工程需要這臺(tái)探測(cè)器在太空中待兩年。這與預(yù)期嚴(yán)重不符，怎么辦？團(tuán)隊(duì)的研究進(jìn)度曾一度卡在這里，經(jīng)過一年多的時(shí)間，團(tuán)隊(duì)最后通過研制高屏蔽材料和相應(yīng)的制冷措施將器件的壽命從一個(gè)星期提高到了兩三年。

張亮還清楚地記得，2015年10月的熱光實(shí)驗(yàn)需要把所有載荷放到真空和低溫下進(jìn)行性能測(cè)試，團(tuán)隊(duì)為此連續(xù)15天、24小時(shí)不間斷地工作，每天都要堅(jiān)持到凌晨3點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、總結(jié)并將第二天的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)出來。

從2011年開始研制到2016年發(fā)射，幾年時(shí)間中團(tuán)隊(duì)碰到了無數(shù)次項(xiàng)目幾乎要推倒重來的至暗時(shí)刻，但又一次次依靠他們的堅(jiān)韌和毅力迎來了屬于他們的曙光。2016年，世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星墨子號(hào)升空發(fā)射，世人矚目。團(tuán)隊(duì)多年來的堅(jiān)持不懈、日夜加班付出的努力獲得了回報(bào)。當(dāng)看到衛(wèi)星發(fā)射后的第一手?jǐn)?shù)據(jù)和圖片時(shí)，張亮激動(dòng)難掩：“它比我想象中還要美！”

實(shí)現(xiàn)量子通信的真正應(yīng)用，還需加倍努力

衛(wèi)星載荷雖然上天了，但并不意味著它就能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)功能，這需要人為設(shè)定指令令其工作。因此，在此后的兩年里，張亮就是負(fù)責(zé)載荷的運(yùn)行管理，包括設(shè)計(jì)載荷工作流程、編制指令、問題排查等。交付給用戶使用時(shí)，張亮總共牽頭設(shè)計(jì)了30多種指令和相應(yīng)的工作模式來完成不同的功能。如今，用戶只需要選取其中的模式即可應(yīng)用。

談及下一步的工作方向，張亮說，墨子號(hào)目前只是科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，離真正的應(yīng)用還有距離。例如，其運(yùn)行的軌道高度只有500公里，衛(wèi)星每天過地面某個(gè)點(diǎn)的時(shí)間只有十幾分鐘，而且無法滿足白天的應(yīng)用需求。下一步想研制的是軌道高度達(dá)到3.6萬公里的同步軌道衛(wèi)星，在這樣的高度實(shí)施量子信號(hào)傳輸，可以不受地域、時(shí)間所限，隨時(shí)隨地通信。

十幾年圍繞衛(wèi)星載荷進(jìn)行持續(xù)不懈的攻關(guān)探索，在導(dǎo)師指導(dǎo)下不斷地破解難題，牽頭完成了量子密鑰通信機(jī)這一最大載荷的研制任務(wù)，在這一過程中，張亮從一名研究生成長(zhǎng)為一位能夠獨(dú)當(dāng)一面的型號(hào)主任設(shè)計(jì)師。這是一個(gè)不斷成長(zhǎng)蛻變、也不斷打破不可能的過程。量子衛(wèi)星項(xiàng)目成了他施展才能和抱負(fù)的舞臺(tái)。人們不會(huì)忘記在我國(guó)量子衛(wèi)星成功飛天、穩(wěn)定運(yùn)行的輝煌背后有著張亮這樣一批特別能吃苦、特別能戰(zhàn)斗的年輕人。