中国量子科学实验卫星项目科学应用系统总设计师和卫星系统副总设计师彭承志,从事量子物理研究已经十多年,他和实验团队的研究,使量子通信从实验室走向太空,从基础前沿研究走向实际应用。不仅如此,随着墨子号量子卫星的升空,彭承志和他的同事一起开展了一系列天地之间的量子实验,正在让中国的量子通信领跑世界。

他将微小的量子变成通信密钥,为国家通信安全提供有力保障;他与遥远的墨子号进行星地对话,开展千公里级别的量子实验。他是中国量子科学实验卫星项目科学应用系统总设计师彭承志。在微观的量子世界里从事科研,他甘之若饴,从容面对,用一项项科学发现和实际应用,领跑世界。

4月份的一个夜晚,在量子卫星过境的瞬间,彭承志和实验团队通过位于丽江的观测站和天上的卫星进行了7分钟的数据传输。这样的星地对话,几乎每天都在进行。

2016年8月16日凌晨,全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”在酒泉卫星发射中心成功发射升空,“墨子号”将首次在国际上开展空间量子科学实验研究。彭承志和实验团队设计完成了星地量子科学实验中最关键的两个部分:量子有效载荷和量子通信地面站。

彭承志:这边摆的就是我们量子卫星上的载荷,我们叫鉴定件,它跟这个天上的飞行件基本上是一模一样的。

以往的量子纠缠源又大又笨拙,里面布满了各种光学器件和结构器件,但是这么大的纠缠源根本放不进卫星里,彭承志他们大胆出新,把量子纠缠源的光学器件和结构器件做成了一个一体机,既稳定又灵活。

彭承志:我们看一下它是可以动的,这个望远镜呢就会对准另外一个地面站,把这个纠缠光送到另外一个地面站去,通过这样一个装置,我们就可以把这两个量子纠缠光子分开到一千公里的这个尺度上。

十七年前,正在中科大读博士的彭承志,加入潘建伟教授组建的量子信息实验室,他的任务是在地面做量子传输实验。2003年,在合肥大蜀山,彭承志带领团队进行了第一次远程的量子通信实验。

彭承志:我们那个时候激光器的功率很大,纠缠产生的效率又很低,所以一定要水冷,但是我们在那个山顶上,没有自来水,我们搞了两个大水桶,一个水桶的水就这么旋转过来,就是这样冷。

用买来的天文望远镜自己搭建整个收发系统,就是这样小米加步枪的组合,成功完成了10公里级别的实验。后来,实验的难度不断升级。那时候,还没有量子卫星,彭承志和团队的任务,就是如何在地面模拟天上的卫星做量子通信实验。在青海湖进行的模拟实验中,他们甚至用到了热气球和卡车。

彭承志:工程师说那你肯定要模拟整个链路的这个情况,然后我们就在青海湖那里,2011年,距离一下就做到百公里链接,彻底验证了这个卫星的可行性。

2011年底,量子科学实验卫星正式立项,彭承志和团队要开始研制空间量子实验的载荷,进行真正的星地量子科学实验。在当时,世界上从未有任何国家做过相关的实验,毫无疑问这种想法风险极高。

记者:当第一次要从地面转为天地之间的情况的时候,你们不害怕吗?

彭承志:害怕呀!火箭发射的过程有很多不确定的因素,所以那个时候压力会很大,但是压力再大又怎么样呢?就好像打仗的时候,你那个碉堡在那里,再怎么难炸你也要去炸呀。

将近4年半的时间里,研制工作闯过了一个又一个难关,眼看卫星载荷终于做好了,可就在卫星总装测试的最后阶段,彭承志和同事突然发现,卫星携带的激光发射设备,功率正在逐渐衰减,设备出现了致命的问题。

彭承志:因为如果这个激光器到了天上,真的最后不能用了,那我们所有人十年的心血就没有了。我们当时的选择,要么就带着问题上天,要么,把问题找到,而且必须要在一个月之内把这个问题找到定位到。

经过一个月的努力,激光器的故障终于得到彻底解决,赶上了2016年最后的发射机会。卫星上天八个月以来,激光器状态非常良好。

中科大合肥微尺度物质科学国家实验室汪喜林:我觉得彭老师也是一个特别有毅力的人,在合肥大蜀山上面完成了一个十几公里的信号传输,一直走到今天,到2016年又实现了几百公里,彭老师沿着这一个方向不断开拓创新,非常难得。

量子卫星在轨运行八个月后,彭承志现在的目标是要突破夜间实验的局限,使量子通信可以在白天进行,从而为未来利用高轨卫星进行量子通信打下基础。下一步,他们还将与欧洲同行合作,开展“洲际量子密钥分发”实验计划。

彭承志:通过我们的量子卫星,要在中国和欧洲之间建立起量子密码。以后我们的卫星可以成为一个公共的密钥分配平台,我们确实很幸运,动作快,决策也快,我们自己做的事情也争气,我们就开始甩开同行,我们有压倒性的优势。