原文發(fā)表于《科技導(dǎo)報》2025年第5期《“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星的工程創(chuàng)新與技術(shù)突破》
“墨子號”項目是一種新型舉國體制下的大科學(xué)工程模式，科學(xué)家和工程師聯(lián)合團隊圍繞科學(xué)目標，通過網(wǎng)絡(luò)式大協(xié)作實現(xiàn)了其技術(shù)攻關(guān)創(chuàng)新。《科技導(dǎo)報》邀請中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)人文與社會科學(xué)學(xué)院朱燕南、王安軼基于“墨子號”的研發(fā)資料，對其立項、研制及技術(shù)突破過程進行回顧，并總結(jié)了科學(xué)家深度參與所體現(xiàn)的工程思維、團隊緊密協(xié)作及指標融合的新特點。讓我們跟隨作者視角走進大科學(xué)裝置“墨子號”。
“墨子號”是中國自主研制的全球首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星，于2011年12月14日工程立項，2016年8月16日發(fā)射?！澳犹枴笨茖W(xué)實驗衛(wèi)星項目（以下簡稱“墨子號”項目）最終實現(xiàn)了3大科學(xué)目標：星地高速量子密鑰分發(fā)、星地量子糾纏分發(fā)和地星量子隱形傳態(tài)，并取得了一系列重大科學(xué)成果?！澳犹枴钡难兄撇粌H促進了量子通信技術(shù)工程化的創(chuàng)新和突破，還通過洲際量子密鑰分發(fā)等拓展實驗，推動了2022年諾貝爾物理學(xué)獎對量子信息領(lǐng)域的認可?！澳犹枴表椖康某晒κ怪袊诹孔油ㄐ蓬I(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了由“跟隨者”向“領(lǐng)跑者”身份的轉(zhuǎn)換，標志著中國在該領(lǐng)域的崛起。2023年11月，中高軌道量子科學(xué)衛(wèi)星成功立項，中國量子空間科學(xué)即將進入多線程開展的時代，面臨新考驗，也迎來發(fā)展的新機遇，在此時間節(jié)點，對“墨子號”項目的工程創(chuàng)新歷史進行回顧和總結(jié)，對于中國量子空間科學(xué)具有重要的參考意義。
1 科學(xué)先行：“墨子號”項目的立項
誕生于20世紀80年代的量子信息學(xué)，是一門在量子物理學(xué)基礎(chǔ)上不斷突破人類對微觀世界規(guī)律認知與操控極限的實驗科學(xué)，其中，量子通信憑借其在信息傳輸安全性方面的優(yōu)勢，被世界各國列為未來信息技術(shù)發(fā)展的重要領(lǐng)域之一。進入21世紀后，中國物理學(xué)界抓住發(fā)展機遇，在該領(lǐng)域取得了一系列國際領(lǐng)先成果。在此契機下，“墨子號”項目應(yīng)運而生。
1.1 量子通信技術(shù)的發(fā)展與在中國的起步
20世紀90年代，量子密碼理論的誕生和初步試驗，以及量子隱形傳態(tài)實驗的成功使量子通信技術(shù)獲得了飛速發(fā)展。1989年，美國IBM公司實驗室實現(xiàn)了世界上第一個量子信息傳輸實驗。歐洲作為量子物理和量子信息學(xué)的發(fā)端地也不甘落后。中國在量子信息學(xué)領(lǐng)域起步稍晚，1998年6月中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)（以下簡稱“中國科大”）主辦了第98次香山科學(xué)會議，以“量子通訊與量子計算”為主題。此次會議是中國量子信息學(xué)發(fā)展史上的一個重要的里程碑，增強了國內(nèi)研究者發(fā)展量子信息學(xué)的決心和信心。2001年，郭光燦帶領(lǐng)的中國科學(xué)院量子信息重點實驗室依托中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)成立，開展了對光纖量子密碼傳輸研究的嘗試。同年，潘建偉回到中國科大組建了國內(nèi)首個量子調(diào)控實驗室，部分成員后續(xù)成為了“墨子號”項目的中堅力量。
1.2 衛(wèi)星立項論證前的科學(xué)和技術(shù)準備
中國在自由空間量子通信領(lǐng)域的研究幾乎與國際同步。2002年，美國和英國研究組分別實現(xiàn)了10 km和20 km的量子密鑰分發(fā)（quantum key distribution，QKD）實驗，驗證了利用衛(wèi)星進行QKD的可行性。而此時中國潘建偉量子團隊（以下簡稱“量子團隊”）也已在量子糾纏源技術(shù)方面獲得了一系列進展。
2003年，量子團隊開始進行外場實驗。2年后，團隊成功實現(xiàn)了13 km自由空間糾纏光子分發(fā)。2005年5月，在中國科學(xué)院和中國科大的支持下，量子團隊通過了載人航天科學(xué)實驗系統(tǒng)空地QKD的實驗論證。2007年，蔡林格（Anton Zeilinger）教授牽頭的多國科學(xué)家團隊與歐洲航天局合作，提出了以國際空間站為平臺的空間量子通信和大尺度量子力學(xué)檢驗實驗計劃（QUEST計劃）。2008年是量子衛(wèi)星項目進展的關(guān)鍵年，這一年中國科學(xué)院撥款7500萬元，為量子衛(wèi)星預(yù)研“空間尺度量子實驗關(guān)鍵技術(shù)與驗證”項目（以下簡稱“QUESS”項目）提供了經(jīng)費保障，QUESS項目開展了空間尺度量子實驗關(guān)鍵技術(shù)的研究和實驗驗證。2008—2011年，聯(lián)合團隊主要完成了百公里級量子隱形傳態(tài)、量子糾纏分發(fā)和模擬衛(wèi)星—地面之間的量子通信等關(guān)鍵性試驗，充分驗證了利用衛(wèi)星實現(xiàn)量子通信的可行性。2011年1月25日，經(jīng)歷8年的科學(xué)和技術(shù)籌備，量子科學(xué)實驗衛(wèi)星正式立項（代號KX-02），成為中國科學(xué)院空間科學(xué)先導(dǎo)專項的首批4顆科學(xué)實驗衛(wèi)星之一，2016年發(fā)射前被正式命名為“墨子號”。
2 工程統(tǒng)籌：圍繞科學(xué)目標的項目開展
2011年12月14日，中國科學(xué)院在北京召開會議，審議確定了大系統(tǒng)組織管理機制，由首席科學(xué)家和工程總師帶領(lǐng)，協(xié)調(diào)指揮6大系統(tǒng)，明確了工程研制建設(shè)的主要問題、工程的總體計劃安排（圖1）。會議還確定了衛(wèi)星研制的工程大總體初步方案、主要技術(shù)指標、研制周期和進度安排以及預(yù)算等。
圖1 “墨子號”工程總體及6大系統(tǒng)
2.1 設(shè)立不同層級的科學(xué)目標
在“921”工程項目的基礎(chǔ)上，為提高衛(wèi)星的國際科研競爭力，中國科大量子團隊設(shè)立了3個層級的科學(xué)目標：星地高速Q(mào)KD、星地量子糾纏分發(fā)和地星隱形傳態(tài)（表1）。通過設(shè)立不同層級的科學(xué)目標，科研團隊的任務(wù)導(dǎo)向更加明確，衛(wèi)星工程的實施緊密圍繞這些目標展開，各系統(tǒng)需嚴格遵循科學(xué)技術(shù)指標，并積極協(xié)同調(diào)整，以確保任務(wù)的順利完成。
表1 “墨子號”不同層級科學(xué)目標
2.2 以科學(xué)目標為最終追求的工程管理機制
“墨子號”項目采用了“首席科學(xué)家+工程兩總”的管理模式，首席科學(xué)家由潘建偉擔任，工程總設(shè)計師為徐博明，總指揮為陰和俊。首席科學(xué)家負責(zé)科學(xué)目標的實現(xiàn)，主要職責(zé)包括：負責(zé)提出和策劃整個專項的發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃、科研方向和目標、研究任務(wù)分解方案；統(tǒng)籌安排各項目之間的協(xié)同創(chuàng)新；批準專項主要研究人員的聘用；提交年度報告和接受評估及專項調(diào)節(jié)經(jīng)費的調(diào)配使用。工程總設(shè)計師負責(zé)組織和實施量子通信衛(wèi)星系統(tǒng)的工程化、領(lǐng)導(dǎo)和指揮關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，組織編制系統(tǒng)總體管理規(guī)范，批準專項研制流程，提交年度報告和接受評估?？傊笓]是整個任務(wù)的領(lǐng)導(dǎo)核心，負責(zé)確保衛(wèi)星規(guī)劃、發(fā)射、運行和維護的全過程順利進行。此外，該衛(wèi)星項目特別設(shè)立了項目總體組，專門負責(zé)“天地一體化實驗”的總體規(guī)劃與實施。
2.3 科學(xué)家深度參與的工程創(chuàng)新模式
作為承載科學(xué)實驗的項目總體之一，“墨子號”衛(wèi)星的科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)由中國科大牽頭，量子團隊承擔了大部分研制任務(wù)（表2）。另一重要的科學(xué)目標承載總體——衛(wèi)星有效載荷系統(tǒng)由中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所（以下簡稱“技物所”）牽頭，聯(lián)合團隊承擔研制。在載荷系統(tǒng)中，ATP（自動跟蹤指向）與光機熱系統(tǒng)、密鑰生成與量子分發(fā)系統(tǒng)以及量子密鑰接收系統(tǒng)這3個關(guān)鍵分系統(tǒng)，由于需要實現(xiàn)地面與衛(wèi)星載荷之間的緊密聯(lián)動，因此它們的研制與搭建工作均由專門團隊負責(zé)執(zhí)行（圖2）。
表2 “墨子號”科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)職務(wù)任命
圖2 “墨子號”衛(wèi)星系統(tǒng)及科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)分解
聯(lián)合團隊需要將量子光學(xué)系統(tǒng)結(jié)合傳統(tǒng)光學(xué)工程，完成星地間高速、有效的QKD和糾纏分發(fā)等任務(wù)需要的技術(shù)指標。這項艱巨的研發(fā)任務(wù)由中國科大和技物所共同承擔（表3）。在研發(fā)過程中，科研團隊與工程團隊緊密協(xié)作、無縫對接，實現(xiàn)新技術(shù)的即時共享。這種高度協(xié)同的合作模式極大加速了科學(xué)目標的達成與技術(shù)難點的攻克，取得了顯著而高效的成果。
表3 “墨子號”有效載荷分系統(tǒng)職務(wù)任命
作為一顆對量子通信科技自主創(chuàng)新能力要求極高的科學(xué)衛(wèi)星，“墨子號”無論在前期預(yù)研、衛(wèi)星研發(fā)還是后期實驗中，首席科學(xué)家潘建偉領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)團隊都深度參與其中，尤其在關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)的過程中，以中國科大為主力的科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)和有效載荷團隊都發(fā)揮了重要的作用。
3 技術(shù)支撐：科學(xué)目標和技術(shù)難點聯(lián)合攻關(guān)
立項后，聯(lián)合團隊的首要任務(wù)是對有效載荷（圖3）進行方案設(shè)計與關(guān)鍵技術(shù)突破，明確了需要攻克的3大核心挑戰(zhàn)：（1）研制高亮度小型化糾纏源；（2）建立低損耗的量子通信光鏈路；（3）進行偏振保持技術(shù)的自主研發(fā)。
圖3 “墨子號”有效載荷配置
3.1 糾纏光源的方案選擇和技術(shù)突破
量子糾纏源為糾纏光子對的產(chǎn)生裝置，是糾纏分發(fā)實驗的核心。量子糾纏源分系統(tǒng)由光機子系統(tǒng)和量子力學(xué)2個功能部分組成。中國科大承擔了有效載荷量子糾纏源的量子力學(xué)部分；技物所承擔了糾纏源光機部分。要將糾纏源送上太空，需要達到高亮度、小型化、穩(wěn)定化的要求。糾纏源分系統(tǒng)團隊（以下簡稱“糾纏源團隊”）分別從Sagnac結(jié)構(gòu)、離軸凹面反射鏡設(shè)計、固定方式和糾纏源亮度4方面進行研制。
Sagnac環(huán)是糾纏源最核心的模塊，是一個由下轉(zhuǎn)換晶體PPKTP、離軸凹面聚焦系統(tǒng)、雙波長極化分束器和雙波長半波片組成的10 cm三角形模塊（圖4）。
圖4 Sagnac環(huán)形干涉儀示意
糾纏源團隊設(shè)計了離軸凹反鏡共焦系統(tǒng)，將環(huán)外2個用于聚焦和共焦的透鏡轉(zhuǎn)化為反射鏡，反射鏡本身存在消色差的優(yōu)勢，避免了透鏡對光的顏色的敏感度。糾纏源團隊還通過設(shè)計將透鏡結(jié)合到Sagnac環(huán)中，大大減少了系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜度，提高了穩(wěn)定性。
在加固設(shè)計方面，團隊采取了先將Sagnac環(huán)固定于殷鋼底板之上，隨后再將整體嵌入到光機部分的光學(xué)底板中的策略，成功提升了糾纏源器件的安裝精度和穩(wěn)定精度。
在提高糾纏源亮度指標方面，糾纏源團隊從3方面著手：（1）通過調(diào)研和多次實驗，尋找到了性能優(yōu)異的泵浦光；（2）在方案設(shè)計階段對PPKTP晶體的置入空間“留有余量”，在工程研發(fā)階段盡量延長了PPKTP晶體長度；（3）通過使用單模光纖收集模塊，保證了糾纏源和望遠鏡之間的光纖傳輸接收率大于40%。此外，還通過可調(diào)反射鏡PI，在衛(wèi)星上天后進行“微調(diào)”，以避免微振動對耦合效率的影響。
3.2 量子通信光鏈路和保偏技術(shù)攻關(guān)
高精度量子通信光鏈路（以下簡稱“光鏈路”）是為了進行星地量子通信科學(xué)實驗，在衛(wèi)星和地面間建立的高精度ATP系統(tǒng)。在衛(wèi)星項目中，聯(lián)合團隊通過查閱文獻、自主設(shè)計實驗等方式，提出了衛(wèi)星對站指向和載荷自主尋的相結(jié)合的一星兩站光鏈路建立的總體方案。采用了“凝視—凝視”的捕獲策略，實現(xiàn)了衛(wèi)星與兩個地面站之間的快速捕獲對接。同時，聯(lián)合團隊依托STAR1000（CMOS）探測器，運用了一系列先進技術(shù)，不僅實現(xiàn)了超前瞄準功能，有效避免了較大誤差的產(chǎn)生，還通過星地聯(lián)合掃描的方式，對光軸殘差進行了精確修正。這項由國內(nèi)自主研發(fā)的量子光跟瞄系統(tǒng)在國際上取得了領(lǐng)先地位，并獲得了多項相關(guān)技術(shù)專利。
此外，由于衛(wèi)星和地面之間進行著高速且旋轉(zhuǎn)的復(fù)雜運動，聯(lián)合團隊需從技術(shù)層面保證糾纏源（quantum entanglement source，QES）產(chǎn)生的光子分別通過糾纏發(fā)射機（quantum entanglement transmitter，QET）和量子密鑰分發(fā)發(fā)射機（quantum key distribution transmitter，QKDT）后，仍然能從衛(wèi)星向地面站發(fā)射相同偏振的光子。這個重要的技術(shù)問題要求糾纏源偏振好、路徑保偏好、地面旋轉(zhuǎn)對準精度高。
4 創(chuàng)新成果與社會意義
迄今為止，尚無任何其他國家能夠成功發(fā)射達到“墨子號”同等技術(shù)指標的量子科學(xué)實驗衛(wèi)星，亦未能取得與其3大科學(xué)目標同等級的科研成果?！澳犹枴表椖康某晒Φ靡嬗谝韵?方面的工作。首先，作為科學(xué)家主導(dǎo)的大科學(xué)工程，其管理模式強調(diào)創(chuàng)新與效率并重，“首席科學(xué)家+工程兩總”的新型管理模式確保了科學(xué)團隊效能的最大化；其次，中國科學(xué)院各單位打破地域與學(xué)科壁壘，構(gòu)建了新型網(wǎng)絡(luò)協(xié)同體系，確保項目能夠加速推進，攻關(guān)效果事半功倍；最后，聯(lián)合團隊在大科學(xué)組織模式下結(jié)合科學(xué)目標和技術(shù)難點進行攻關(guān)，培養(yǎng)了一批量子領(lǐng)域的科研工程交叉型人才，從而高質(zhì)量地實現(xiàn)了糾纏源、量子通信光鏈路等核心技術(shù)的突破。
“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星項目是中國科學(xué)家主導(dǎo)下實現(xiàn)科學(xué)與工程深度融合的成功典范。該項目開創(chuàng)性地采用了科學(xué)指標引領(lǐng)、技術(shù)創(chuàng)新與工程突破并重的研發(fā)模式，有效整合了全國量子信息領(lǐng)域的優(yōu)勢研究資源。這一創(chuàng)新模式不僅實現(xiàn)了量子通信領(lǐng)域的重大科學(xué)突破，更使中國在國際量子信息技術(shù)競爭中占據(jù)了戰(zhàn)略制高點，為前沿科學(xué)研究與衛(wèi)星工程技術(shù)的協(xié)同創(chuàng)新提供了成功范例。更重要的是，“墨子號”項目的實施為中國科研團隊在量子信息學(xué)科的持續(xù)探索奠定了堅實基礎(chǔ)，其成功經(jīng)驗對量子計算、量子模擬、量子精密測量等量子信息學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)研究和工程實踐具有深遠的指導(dǎo)意義，充分彰顯了重大科學(xué)工程對國家科技創(chuàng)新的引領(lǐng)作用。
本文作者：朱燕南、王安軼
作者簡介：朱燕南，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)人文與社會科學(xué)學(xué)院，博士研究生，研究方向為量子信息科技史；王安軼（通信作者），中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)人文與社會科學(xué)學(xué)院，副教授，研究方向為中國近現(xiàn)代科技史、工程史等。
文章來源：朱燕南, 王安軼. “墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星的工程創(chuàng)新與技術(shù)突破[J]. 科技導(dǎo)報, 2025, 43(5): 89-97 .
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