中國量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星項(xiàng)目科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師和衛(wèi)星系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師彭承志,從事量子物理研究已經(jīng)十多年,他和實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)的研究,使量子通信從實(shí)驗(yàn)室走向太空,從基礎(chǔ)前沿研究走向?qū)嶋H應(yīng)用。不僅如此,隨著墨子號量子衛(wèi)星的升空,彭承志和他的同事一起開展了一系列天地之間的量子實(shí)驗(yàn),正在讓中國的量子通信領(lǐng)跑世界。

他將微小的量子變成通信密鑰,為國家通信安全提供有力保障;他與遙遠(yuǎn)的墨子號進(jìn)行星地對話,開展千公里級別的量子實(shí)驗(yàn)。他是中國量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星項(xiàng)目科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師彭承志。在微觀的量子世界里從事科研,他甘之若飴,從容面對,用一項(xiàng)項(xiàng)科學(xué)發(fā)現(xiàn)和實(shí)際應(yīng)用,領(lǐng)跑世界。

4月份的一個(gè)夜晚,在量子衛(wèi)星過境的瞬間,彭承志和實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)通過位于麗江的觀測站和天上的衛(wèi)星進(jìn)行了7分鐘的數(shù)據(jù)傳輸。這樣的星地對話,幾乎每天都在進(jìn)行。

2016年8月16日凌晨,全球首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號”在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射升空,“墨子號”將首次在國際上開展空間量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究。彭承志和實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)完成了星地量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)中最關(guān)鍵的兩個(gè)部分:量子有效載荷和量子通信地面站。

彭承志:這邊擺的就是我們量子衛(wèi)星上的載荷,我們叫鑒定件,它跟這個(gè)天上的飛行件基本上是一模一樣的。

以往的量子糾纏源又大又笨拙,里面布滿了各種光學(xué)器件和結(jié)構(gòu)器件,但是這么大的糾纏源根本放不進(jìn)衛(wèi)星里,彭承志他們大膽出新,把量子糾纏源的光學(xué)器件和結(jié)構(gòu)器件做成了一個(gè)一體機(jī),既穩(wěn)定又靈活。

彭承志:我們看一下它是可以動的,這個(gè)望遠(yuǎn)鏡呢就會對準(zhǔn)另外一個(gè)地面站,把這個(gè)糾纏光送到另外一個(gè)地面站去,通過這樣一個(gè)裝置,我們就可以把這兩個(gè)量子糾纏光子分開到一千公里的這個(gè)尺度上。

十七年前,正在中科大讀博士的彭承志,加入潘建偉教授組建的量子信息實(shí)驗(yàn)室,他的任務(wù)是在地面做量子傳輸實(shí)驗(yàn)。2003年,在合肥大蜀山,彭承志帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了第一次遠(yuǎn)程的量子通信實(shí)驗(yàn)。

彭承志:我們那個(gè)時(shí)候激光器的功率很大,糾纏產(chǎn)生的效率又很低,所以一定要水冷,但是我們在那個(gè)山頂上,沒有自來水,我們搞了兩個(gè)大水桶,一個(gè)水桶的水就這么旋轉(zhuǎn)過來,就是這樣冷。

用買來的天文望遠(yuǎn)鏡自己搭建整個(gè)收發(fā)系統(tǒng),就是這樣小米加步槍的組合,成功完成了10公里級別的實(shí)驗(yàn)。后來,實(shí)驗(yàn)的難度不斷升級。那時(shí)候,還沒有量子衛(wèi)星,彭承志和團(tuán)隊(duì)的任務(wù),就是如何在地面模擬天上的衛(wèi)星做量子通信實(shí)驗(yàn)。在青海湖進(jìn)行的模擬實(shí)驗(yàn)中,他們甚至用到了熱氣球和卡車。

彭承志:工程師說那你肯定要模擬整個(gè)鏈路的這個(gè)情況,然后我們就在青海湖那里,2011年,距離一下就做到百公里鏈接,徹底驗(yàn)證了這個(gè)衛(wèi)星的可行性。

2011年底,量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星正式立項(xiàng),彭承志和團(tuán)隊(duì)要開始研制空間量子實(shí)驗(yàn)的載荷,進(jìn)行真正的星地量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)。在當(dāng)時(shí),世界上從未有任何國家做過相關(guān)的實(shí)驗(yàn),毫無疑問這種想法風(fēng)險(xiǎn)極高。

記者:當(dāng)?shù)谝淮我獜牡孛孓D(zhuǎn)為天地之間的情況的時(shí)候,你們不害怕嗎?

彭承志:害怕呀!火箭發(fā)射的過程有很多不確定的因素,所以那個(gè)時(shí)候壓力會很大,但是壓力再大又怎么樣呢?就好像打仗的時(shí)候,你那個(gè)碉堡在那里,再怎么難炸你也要去炸呀。

將近4年半的時(shí)間里,研制工作闖過了一個(gè)又一個(gè)難關(guān),眼看衛(wèi)星載荷終于做好了,可就在衛(wèi)星總裝測試的最后階段,彭承志和同事突然發(fā)現(xiàn),衛(wèi)星攜帶的激光發(fā)射設(shè)備,功率正在逐漸衰減,設(shè)備出現(xiàn)了致命的問題。

彭承志:因?yàn)槿绻@個(gè)激光器到了天上,真的最后不能用了,那我們所有人十年的心血就沒有了。我們當(dāng)時(shí)的選擇,要么就帶著問題上天,要么,把問題找到,而且必須要在一個(gè)月之內(nèi)把這個(gè)問題找到定位到。

經(jīng)過一個(gè)月的努力,激光器的故障終于得到徹底解決,趕上了2016年最后的發(fā)射機(jī)會。衛(wèi)星上天八個(gè)月以來,激光器狀態(tài)非常良好。

中科大合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室汪喜林:我覺得彭老師也是一個(gè)特別有毅力的人,在合肥大蜀山上面完成了一個(gè)十幾公里的信號傳輸,一直走到今天,到2016年又實(shí)現(xiàn)了幾百公里,彭老師沿著這一個(gè)方向不斷開拓創(chuàng)新,非常難得。

量子衛(wèi)星在軌運(yùn)行八個(gè)月后,彭承志現(xiàn)在的目標(biāo)是要突破夜間實(shí)驗(yàn)的局限,使量子通信可以在白天進(jìn)行,從而為未來利用高軌衛(wèi)星進(jìn)行量子通信打下基礎(chǔ)。下一步,他們還將與歐洲同行合作,開展“洲際量子密鑰分發(fā)”實(shí)驗(yàn)計(jì)劃。

彭承志:通過我們的量子衛(wèi)星,要在中國和歐洲之間建立起量子密碼。以后我們的衛(wèi)星可以成為一個(gè)公共的密鑰分配平臺,我們確實(shí)很幸運(yùn),動作快,決策也快,我們自己做的事情也爭氣,我們就開始甩開同行,我們有壓倒性的優(yōu)勢。