張亮

2016年8月16日，我國量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”發(fā)射升空，引起世界范圍內的關注，因為這是全球首顆成功發(fā)射的量子衛(wèi)星，這一科技突破使得我國在量子通信激烈的國際競爭中搶占了主動權。要實現(xiàn)量子通信的功能，離不開衛(wèi)星的有效載荷，中科院上海技術物理研究所承擔了量子衛(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和量子糾纏發(fā)射機兩項有效載荷，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難題，相關工作經媒體報道和科學院表彰后廣受好評。筆者在前兩年采訪墨子號量子衛(wèi)星工程常務副總設計師、衛(wèi)星總指揮王建宇時，提到這位年輕后生時他也是稱譽有加。所以看到2019年啟明星入選名單中有張亮時，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目組青年團隊負責人，希望從他的口中了解到更多關于量子衛(wèi)星背后的故事。

中科大學習，奠定日后研究根底

張亮1985年出生于山東省臨清市的一個普通農村家庭。用張亮自己的話說，初二以前，他的學習成績很一般，也許當時的他對學習還沒有開竅，加上喜歡跟小伙伴們一起“瘋玩”。初中后換到了市區(qū)學校，玩伴少了，這樣就把更多的心思放在學習上，成績一下子有了很大的提升，從初二到整個高中，他的成績一直保持在班級里數(shù)一數(shù)二?！案呖紩r沒考出自己應有的成績，這樣就填報了中國科技大學的精密機械與精密儀器專業(yè)。”

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

大一時（2002年），張亮自薦當了班級的學習委員。大二時，他參加了學校的機器人設計比賽，那時他開始接觸到傳感、遙控等光機電概念。這次組隊參賽，張亮的知識應用能力和團隊協(xié)作能力都得到了鍛煉，但他也深感與之相關的光機電知識體系十分龐大，必須努力學習掌握更多的知識。于是，大三時，他選修了關于電子信息科學與技術的雙學位課程。主修課程注重基本的物理知識、光學工程、機械傳感等，選修的課程則注重電子與計算機相關的知識，兩者互為補充。事實上，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)集成技術的研究，這些研究大多是建立在電子信息科學與技術專業(yè)的基礎之上的，但同時又應用了很多精密機械方面的知識?？梢哉f，兩個專業(yè)的課程學習為他日后的研究奠定了扎實的基礎。

回憶大學生活，張亮大二暑假時生病住院做了手術，整個住院及醫(yī)藥費的報銷都是輔導員和同學們幫忙，這讓他至今感到溫暖。當時上網吧打游戲之風已經彌漫到校園，張亮也曾沉迷于中，但那場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)”——系年級第一。這讓他在保研時有很大的優(yōu)勢：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)機制，當時中科院的上海技術物理研究所（以下簡稱技物所）在畢業(yè)生中的口碑特別好，張亮有幾個師兄也去了技物所，所以張亮把技物所作為了首選。

技物所攻博，有幸結緣好項目

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和衛(wèi)星系統(tǒng)設計研究領域有很深造詣的科學家，是后來大家所熟知的“墨子號”量子衛(wèi)星的常務副總設計師?！爱敃r其實對技物所的導師們不熟，我就跟著同學一起選擇了王老師，現(xiàn)在看來，我真的很幸運。”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機器。張亮回憶，當時科研條件遠不如現(xiàn)在這么好，為了緩解經費壓力，來自企業(yè)的橫向課題占了一定的比例。不過，橫向課題的這段經歷也讓他有了更多機械方面的積累。

2008年，為了驗證量子衛(wèi)星發(fā)射是否在技術上可行，中科院設立了一個重大預研項目，即為量子衛(wèi)星做關鍵技術攻關和地面實驗驗證，如果驗證可行，則下一步將正式立項量子衛(wèi)星工程項目，這也是奠定后期研究基礎非常關鍵的一步。這是一個大項目，主要承擔者、中科大的潘建偉教授找到了在工程上經驗豐富的王建宇老師，邀請他擔任工程總負責人。張亮解釋道：“當時的分工是，潘老師團隊主要負責提出科學目標及研究量子信號生成與處理，而我們這邊負責將科學目標轉換為工程技術語言以及牽頭衛(wèi)星載荷系統(tǒng)實施?！?/p>

張亮的研究生涯可以說是從這個項目開始的，他參與了光機載荷和外場實驗驗證兩個子課題（另外的子課題包括量子通信電子學等），光機載荷的控制算法與光電技術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家的一大難題，需要將光信號從天上發(fā)到地面并且準確無誤地接收。特別是對于量子信號，其發(fā)散角非常窄，要使發(fā)射的信號在快速（高速運動的衛(wèi)星移動速度7.8公里/秒）移動過程中（移動距離從500公里到2 000公里的高度）能夠始終精確對準地面的接收站，其難度如同從萬米高空飛行的飛機上連續(xù)不斷地把一枚枚硬幣準確投入地面上一個旋轉著的儲蓄罐內。這是一個系統(tǒng)工程，張亮在導師的指導下，從算法、設計到器件、工藝、裝配等，一個個技術難點進行攻關，完成了精確跟蹤控制子系統(tǒng)的研制。

三入青海湖，為項目踩點做驗證

為了實地驗證系統(tǒng)的可行性，需要完成一系列的過程：選點-驗證-改進-再驗證-再改進，這個過程花費了兩年多時間。

2008，繞湖登山選點2008年10月，在導師的帶領下張亮初次來到青海湖，為后續(xù)的驗證選擇具體的測試點。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公里能見度達標的測試點是有可能的。10月的青海湖已經非常冷，張亮與小伙伴們?yōu)榱苏业阶罴褱y試點，通常是在一天起霧最少的傍晚時分摸黑到零下10攝氏度的山上進行測試選點。

2009，冒險完成車載實驗在完成選點后的2009年8月，張亮和團隊小伙伴們再上青海湖，這次是把研制的關鍵儀器帶到現(xiàn)場進行驗證。他們首先用車載測試來模擬衛(wèi)星的移動。為了盡可能減少對量子信號的干擾，在交通主道上進行的車載測試甚至連燈都不敢打開，因為燈光會影響量子信號測試的準確性。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“用生命做實驗”。經過一個月的測試后，他們帶著大量的實驗數(shù)據(jù)回去了。

2010，完成熱氣球量子密鑰分配實驗經過又一年的實驗改進，2010年7月，張亮帶著改進后的實驗儀器第三次出現(xiàn)在青海湖。這一次，他們選擇用熱氣球來驗證載荷的動態(tài)跟蹤能力，即在距離地面幾十米的熱氣球上將量子信號發(fā)射到地面目標并接收，這樣的模擬更接近實際情況。然而，困難重重，光是熱氣球的升空就經歷了多次失敗。晚上風大、不穩(wěn)定、溫差大等都是測試的不利因素，在熱氣球上進行測試也有一定的危險性。但最終憑借著堅強的毅力，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驗。

正在準備熱氣球量子密鑰分配實驗

臨意外考驗，排除萬難建功業(yè)

令張亮沒想到的是，這次測試更大的考驗還在后面。在做100公里定點量子通信實驗時，他們像之前一樣往山上運設備，但沒想到汽車在急轉彎時，整個設備被甩到了地上，摔成了三段，零部件也都散落開來，所有人一下子懵了。這個項目從一開始，張亮就全程深度參與，他當然清楚這臺設備凝聚了多少人的心血，花費的時間和成本有多高！是時還在讀研究生的他有點手足無措，既擔心昂貴的設備損失，又擔心項目的進展受到影響。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，設備的關鍵部件（光學望遠鏡）沒有損壞，這就說明這臺設備還有救。張亮決定調整策略：暫時不回上海，留下來力爭把它修好繼續(xù)進行測試。“設備都是我一步步親自參與裝配起來的，因此我很熟悉，當看到那個關鍵部件沒有損壞時我心里就有底了，設備應該可以修復，并且我們還要搶時間進度。” 張亮回憶道。他們把散掉的碎片化儀器一一拼裝檢測修復，完全損壞不能修的部件就讓同事從上海帶過來。經二十多天的徹夜搶修，借助帶過去的檢測和裝配設備，張亮與這些年輕的小伙伴們竟然把設備修復好了。

盡管團隊沒日沒夜地在搶進度，但設備修復好時大雪已經開始封山，如果再不去實驗，那么就要等到第二年了。大家最后還是踩著雪到海拔3 500米高的選定點上進行了測試。寒冷和高原反應讓這群年輕人吃盡了苦頭。日落后的一小時內是最佳的實驗時間，超過一小時，水汽開始變大，水汽系數(shù)太高時光信號的透過率會急劇下降。雖然實驗只有一個小時時間，但每天的前期準備工作都要做足，在溫度極低的山上，光是讓設備熱起來都要兩三個小時。這次的百公里定點實驗旨在驗證100公里跨距的大氣鏈路量子通信是否可行。因為大氣中的湍流是影響量子鏈路效率的關鍵因素，如果100公里長度能夠克服湍流影響，那么衛(wèi)星通信就基本無虞。

為了充分驗證，確保實驗過程的可靠性和可行性，張亮帶領的團隊三入青海湖，幾乎跑遍了湖區(qū)的每個點。諸多曲折后，團隊最后成功達到了預定的計劃目標，完成了世界首次熱氣球浮空平臺和近百公里量子密鑰分配實驗，相關成果發(fā)表在了世界頂級期刊《自然-光子學》（Nature Photonic）上，也被國際同行評價為“人類向天地量子保密通信邁出的重要一步”。

在賓館修復設備

十年磨一劍，完成星地對接

臨近畢業(yè)，預研項目也接近了尾聲，張亮在這個項目上的出色表現(xiàn)王老師都看在眼里。由于預研項目的成功，墨子號天地量子科學實驗通信衛(wèi)星工程項目也即將立項，王老師希望他能留下來。作為當今世界通信領域的熱門新寵，量子通信引起了國際科學界的極大關注，各國競相研發(fā)和拼力角逐，因此這個項目對任何該領域的科學家而言都有極大的吸引力，更何況張亮已經在這個項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，曾經一度他覺得項目要做不下去了。

墨子號上搭載了四個主載荷，上海技物所是載荷總體單位，牽頭研制量子密鑰通信機和量子糾纏發(fā)射機（中國科學技術大學牽頭研制量子糾纏源、量子實驗控制與處理機）。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。這個密鑰通過點對點傳輸，量子力學的基本特性使得即使傳輸中的信號被人截獲，竊聽者也不可能獲得任何有意義的信息。量子糾纏發(fā)射機主要是為了驗證物理學上的量子糾纏科學原理，在地面驗證衛(wèi)星上的信號（1 000公里或更遠的距離）是否存在瞬時感應的現(xiàn)象，即量子對是否有糾纏。需要指出的是，未來可望應用到量子密鑰通信上的量子糾纏目前還在實驗探索階段。

張亮在以上項目中負責量子密鑰通信機的設計、研制和驗證等。雖然他負責研制的是密鑰通信機，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)，目前只能傳輸一個光子）這三個功能，是量子號上四個載荷中功能最全的設備。此外，張亮還牽頭負責四個載荷的總體聯(lián)測。

星地對接

雖然前期已經做過大量的地面實驗論證工作，但畢竟地面實驗和星地實驗是很不一樣的。星地量子信號的傳輸對實驗設備的研制要求極高，在攻克了衛(wèi)星與地面接收站的微弧度高精度跟瞄、高保偏量子信號偏振調制等一個個載荷工程研發(fā)中的核心技術問題后，如何能保證100%的成功率成了又一難點。因為對于工程項目而言，100%的成功率是一個必備指標。換言之就算成功了99次，執(zhí)行任務那一次失敗了，就算失敗了。

以靈敏度高而著稱的單光子探測器件為例，迄今為止，這個器件在美國也只進行過一次衛(wèi)星測試，我國是世界上首次在衛(wèi)星上正式使用此器件的國家。研究團隊在地面模擬太空輻照實驗時發(fā)現(xiàn)，太空中的大量高能粒子輻射會對該探測器件造成損傷，其壽命在太空中只有一個星期，但是整個工程需要這臺探測器在太空中待兩年。這與預期嚴重不符，怎么辦？團隊的研究進度曾一度卡在這里，經過一年多的時間，團隊最后通過研制高屏蔽材料和相應的制冷措施將器件的壽命從一個星期提高到了兩三年。

張亮還清楚地記得，2015年10月的熱光實驗需要把所有載荷放到真空和低溫下進行性能測試，團隊為此連續(xù)15天、24小時不間斷地工作，每天都要堅持到凌晨3點進行數(shù)據(jù)分析、總結并將第二天的實驗方案設計出來。

從2011年開始研制到2016年發(fā)射，幾年時間中團隊碰到了無數(shù)次項目幾乎要推倒重來的至暗時刻，但又一次次依靠他們的堅韌和毅力迎來了屬于他們的曙光。2016年，世界首顆量子科學實驗衛(wèi)星墨子號升空發(fā)射，世人矚目。團隊多年來的堅持不懈、日夜加班付出的努力獲得了回報。當看到衛(wèi)星發(fā)射后的第一手數(shù)據(jù)和圖片時，張亮激動難掩：“它比我想象中還要美！”

實現(xiàn)量子通信的真正應用，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實現(xiàn)功能，這需要人為設定指令令其工作。因此，在此后的兩年里，張亮就是負責載荷的運行管理，包括設計載荷工作流程、編制指令、問題排查等。交付給用戶使用時，張亮總共牽頭設計了30多種指令和相應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用。

談及下一步的工作方向，張亮說，墨子號目前只是科學實驗衛(wèi)星，離真正的應用還有距離。例如，其運行的軌道高度只有500公里，衛(wèi)星每天過地面某個點的時間只有十幾分鐘，而且無法滿足白天的應用需求。下一步想研制的是軌道高度達到3.6萬公里的同步軌道衛(wèi)星，在這樣的高度實施量子信號傳輸，可以不受地域、時間所限，隨時隨地通信。

十幾年圍繞衛(wèi)星載荷進行持續(xù)不懈的攻關探索，在導師指導下不斷地破解難題，牽頭完成了量子密鑰通信機這一最大載荷的研制任務，在這一過程中，張亮從一名研究生成長為一位能夠獨當一面的型號主任設計師。這是一個不斷成長蛻變、也不斷打破不可能的過程。量子衛(wèi)星項目成了他施展才能和抱負的舞臺。人們不會忘記在我國量子衛(wèi)星成功飛天、穩(wěn)定運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。