中國量子科學實驗衛星項目科學應用系統總設計師和衛星系統副總設計師彭承志,從事量子物理研究已經十多年,他和實驗團隊的研究,使量子通信從實驗室走向太空,從基礎前沿研究走向實際應用。不僅如此,隨著墨子號量子衛星的升空,彭承志和他的同事一起開展了一系列天地之間的量子實驗,正在讓中國的量子通信領跑世界。

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;他與遙遠的墨子號進行星地對話,開展千公里級別的量子實驗。他是中國量子科學實驗衛星項目科學應用系統總設計師彭承志。在微觀的量子世界里從事科研,他甘之若飴,從容面對,用一項項科學發現和實際應用,領跑世界。

4月份的一個夜晚,在量子衛星過境的瞬間,彭承志和實驗團隊通過位于麗江的觀測站和天上的衛星進行了7分鐘的數據傳輸。這樣的星地對話,幾乎每天都在進行。

2016年8月16日凌晨,全球首顆量子科學實驗衛星“墨子號”在酒泉衛星發射中心成功發射升空,“墨子號”將首次在國際上開展空間量子科學實驗研究。彭承志和實驗團隊設計完成了星地量子科學實驗中最關鍵的兩個部分: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星上的載荷,我們叫鑒定件,它跟這個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器件和結構器件,但是這么大的糾纏源根本放不進衛星里,彭承志他們大膽出新,把量子糾纏源的光學器件和結構器件做成了一個一體機,既穩定又靈活。

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

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驗室,他的任務是在地面做量子傳輸實驗。2003年,在合肥大蜀山,彭承志帶領團隊進行了第一次遠程的量子通信實驗。

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

用買來的天文望遠鏡自己搭建整個收發系統,就是這樣小米加步槍的組合,成功完成了10公里級別的實驗。后來,實驗的難度不斷升級。那時候,還沒有量子衛星,彭承志和團隊的任務,就是如何在地面模擬天上的衛星做量子通信實驗。在青海湖進行的模擬實驗中,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鏈路的這個情況,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,徹底驗證了這個衛星的可行性。

2011年底,量子科學實驗衛星正式立項,彭承志和團隊要開始研制空間量子實驗的載荷,進行真正的星地量子科學實驗。在當時,世界上從未有任何國家做過相關的實驗,毫無疑問這種想法風險極高。

記者:當第一次要從地面轉為天地之間的情況的時候,你們不害怕嗎?

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

將近4年半的時間里,研制工作闖過了一個又一個難關,眼看衛星載荷終于做好了,可就在衛星總裝測試的最后階段,彭承志和同事突然發現,衛星攜帶的激光發射設備,功率正在逐漸衰減,設備出現了致命的問題。

彭承志:因為如果這個激光器到了天上,真的最后不能用了,那我們所有人十年的心血就沒有了。我們當時的選擇,要么就帶著問題上天,要么,把問題找到,而且必須要在一個月之內把這個問題找到定位到。

經過一個月的努力,激光器的故障終于得到徹底解決,趕上了2016年最后的發射機會。衛星上天八個月以來,激光器狀態非常良好。

中科大合肥微尺度物質科學國家實驗室汪喜林:我覺得彭老師也是一個特別有毅力的人,在合肥大蜀山上面完成了一個十幾公里的信號傳輸,一直走到今天,到2016年又實現了幾百公里,彭老師沿著這一個方向不斷開拓創新,非常難得。

量子衛星在軌運行八個月后,彭承志現在的目標是要突破夜間實驗的局限,使量子通信可以在白天進行,從而為未來利用高軌衛星進行量子通信打下基礎。下一步,他們還將與歐洲同行合作,開展“洲際量子密鑰分發”實驗計劃。

彭承志:通過我們的量子衛星,要在中國和歐洲之間建立起量子密碼。以后我們的衛星可以成為一個公共的密鑰分配平臺,我們確實很幸運,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,我們有壓倒性的優勢。