慶祝中國共產(chǎn)黨成立100周年特別策劃·大國重器系列報(bào)道
代表作一：
上海同步輻射光源：十二年光輝熠熠，大裝置衍射小世界
侯樹文 本報(bào)記者 王 春
編者按?在黨的堅(jiān)強(qiáng)領(lǐng)導(dǎo)下，我國科技事業(yè)櫛風(fēng)沐雨、砥礪前行，取得了舉世矚目的成就?！版隙稹薄氨倍贰钡取皣仄鳌奔娂娏料?；量子信息、移動(dòng)通信等前沿領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重大突破；雜交水稻、高速鐵路等高新技術(shù)惠及社會(huì)民生改善……諸多領(lǐng)域涌現(xiàn)出標(biāo)志性原創(chuàng)成果，科技與經(jīng)濟(jì)社會(huì)深度融合，支撐引領(lǐng)高質(zhì)量發(fā)展。在中國共產(chǎn)黨迎來百年華誕之際，本報(bào)推出“奮斗百年路?啟航新征程·大國重器”系列專版，回顧一代代科技工作者艱苦奮進(jìn)、勇攀高峰的創(chuàng)新故事，展現(xiàn)科技領(lǐng)域取得的標(biāo)志性成就和寶貴經(jīng)驗(yàn)。從新的歷史起點(diǎn)再出發(fā)，我國科技事業(yè)定能乘勢而上，書寫更加恢弘的科技自立自強(qiáng)新篇章。
坐落于上海張江科學(xué)城，外形酷似鸚鵡螺的上海同步輻射光源（以下簡稱上海光源），歷時(shí)11年預(yù)研優(yōu)化、5年技術(shù)攻關(guān)建造，如今已穩(wěn)定高效運(yùn)行了12年。
從億年前的琥珀古鳥羽毛結(jié)構(gòu)，到埃博拉病毒入侵機(jī)制、新冠病毒蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，再到外爾費(fèi)米子世界重大物理實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，上海光源為科學(xué)家探索微觀世界照亮前行之路。12年來，上海光源不僅支撐產(chǎn)出了大批學(xué)科前沿研究成果，而且在國家戰(zhàn)略需求與重大應(yīng)用方面發(fā)揮著越來越重要的作用。
作為我國第三代同步輻射光源，上海光源的建設(shè)以及穩(wěn)定運(yùn)行凝聚了幾代科學(xué)家對(duì)我國粒子加速器建設(shè)躋身世界先進(jìn)行列的夢想，體現(xiàn)了我國基礎(chǔ)科研領(lǐng)域面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場、面向國家重大需求、面向人民生命健康的重要?dú)v史使命。
艱難起步，我國粒子加速器從跟隨到趕超
上世紀(jì)80年代，北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)、合肥同步輻射裝置、蘭州重離子加速器工程的建設(shè)奠定了我國建造大型粒子加速器的基礎(chǔ)。1993年，世界上第一臺(tái)第三代同步輻射光源開始用戶實(shí)驗(yàn)。
方守賢、丁大釗和冼鼎昌三位院士敏銳地意識(shí)到光源大科學(xué)裝置在未來國家基礎(chǔ)科研中即將發(fā)揮的重要作用，于1993年11月向國家提出“在我國建設(shè)第三代同步輻射光源”的建議。1995年3月，中國科學(xué)院和上海市決定共同向國家建議，由國家和地方聯(lián)合出資在上海建設(shè)我國第三代同步輻射光源。
作為國之重器，大科學(xué)裝置耗資不菲，而且難以在短時(shí)間內(nèi)看到實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益。在上海光源項(xiàng)目預(yù)研階段，國家層面的決策也十分慎重。2001年，團(tuán)隊(duì)成員完成了預(yù)制研究，上海光源項(xiàng)目卻沒有成功立項(xiàng)。
此時(shí)，國際上第三代同步輻射裝置處于快速發(fā)展階段?！拔覀兂浞掷眠@段時(shí)間，將世界上加速器、光束線等領(lǐng)域新發(fā)展的先進(jìn)技術(shù)和設(shè)計(jì)思想及時(shí)融入優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。到了真正建設(shè)的時(shí)候，上海光源的設(shè)計(jì)性能得到了新的提升，保證了建成時(shí)步入世界先進(jìn)行列并達(dá)到一流水平?！敝袊茖W(xué)院上海高等研究院黨委書記、副院長，中國工程院院士趙振堂表示。20多年來，他參與了上海光源的預(yù)研、建設(shè)、開放運(yùn)行和二期工程建設(shè)。
“老一輩科學(xué)家及中科院、上海政府領(lǐng)導(dǎo)非常堅(jiān)定，因?yàn)閲业膭?chuàng)新發(fā)展需要這樣的關(guān)鍵大科學(xué)裝置，他們鼓勵(lì)我們要對(duì)未來充滿信心。”趙振堂回憶，他的博士后工作合作導(dǎo)師方守賢院士也多次鼓勵(lì)他堅(jiān)定信心。
2004年11月，國務(wù)院常務(wù)會(huì)議終于批準(zhǔn)了上海光源工程建議書，該工程于同年12月正式動(dòng)工。
填補(bǔ)空白，大科學(xué)裝置前沿技術(shù)集成攻關(guān)
2001年完成預(yù)研，2004年破土動(dòng)工，2009年開放運(yùn)行……上海光源工程的不同階段，趙振堂的團(tuán)隊(duì)面臨著不同的難題：最先直面的是在投入和經(jīng)驗(yàn)積累都不足的條件下，如何建成一座世界一流水平的同步輻射光源。其次是有了光源后，作為公共性平臺(tái)設(shè)施，能不能保證國際先進(jìn)水平的運(yùn)行性能。
在工程預(yù)制研究階段，根據(jù)國際第三代同步輻射裝置的技術(shù)特點(diǎn)，工程指揮部主持研制了41項(xiàng)單元技術(shù)，其中22項(xiàng)為國內(nèi)首次研制，有26項(xiàng)設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平。隨后，科研人員又開展了物理方案優(yōu)化和100MeV直線加速器研制等設(shè)計(jì)和預(yù)研工作。
據(jù)介紹，上海光源由一臺(tái)150MeV的直線加速器、全能量增強(qiáng)器和一臺(tái)3.5GeV電子儲(chǔ)存環(huán)組成，其中儲(chǔ)存環(huán)周長約432米，直徑超過160米。這樣一個(gè)大型粒子加速器是集高科技、多專業(yè)、多門類的綜合性復(fù)雜系統(tǒng)，需要把世界先進(jìn)技術(shù)設(shè)備有機(jī)結(jié)合，這勢必會(huì)帶來集成創(chuàng)新難度。
“最困難的地方，是要盡可能把先進(jìn)的設(shè)計(jì)思想和技術(shù)融入設(shè)施建設(shè)方案中，還要對(duì)先進(jìn)技術(shù)方案和性價(jià)比方面進(jìn)行綜合選擇取舍，掌握裝置所需加工周期、材料和制造費(fèi)用，使其在可控的時(shí)間、經(jīng)費(fèi)內(nèi)完成。”趙振堂說。
第三代同步輻射光源的特點(diǎn)是光束高亮度，而且光的位置和發(fā)射角要高穩(wěn)定，光斑的抖動(dòng)要控制在零點(diǎn)幾個(gè)微米的水平上，這必須綜合考慮設(shè)施的地基、支撐、冷卻水流速、隧道溫度和冷卻水溫度穩(wěn)定性、環(huán)境振源以及周邊交通等各種因素帶來的振動(dòng)影響。
為保證裝置性能處于世界領(lǐng)先水平，上海光源團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了長期技術(shù)攻關(guān)探索。例如，不斷進(jìn)行低發(fā)射度的儲(chǔ)存環(huán)優(yōu)化設(shè)計(jì)，分析研判各種設(shè)備性能要達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)，同時(shí)還要進(jìn)行關(guān)鍵核心元器件的技術(shù)研發(fā)。波蕩器是第三代同步輻射光源及自由電子激光的關(guān)鍵設(shè)備，束流要通過波蕩器內(nèi)部交替排列的磁塊才能發(fā)出高亮度的光。上海光源建設(shè)期間不僅自主研制成功了橢圓極化波蕩器，而且還攻克了真空波蕩器難關(guān)，這些工作均填補(bǔ)了國內(nèi)空白。
團(tuán)隊(duì)不斷開展高強(qiáng)度技術(shù)攻關(guān)，在我國首次研制出一臺(tái)臺(tái)滿足第三代同步輻射光源要求的波蕩器、雙橢圓極化波蕩器、特種電子軌跡橢圓極化波蕩器、多種自由電子激光波蕩器等，使得我國加速器光源的波蕩器技術(shù)處于國際先進(jìn)水平。
引領(lǐng)未來，凝聚和培養(yǎng)青年科技力量
2009年5月6日，剛剛竣工的上海光源迎來了第一批用戶，首批用戶包括中科院長春應(yīng)用化學(xué)研究所、上海交通大學(xué)、中科院高能物理研究所等單位的近20位用戶。
“用戶的問題始終是伴隨上海光源建設(shè)運(yùn)行的最大問題?！绷钰w振堂難以忘懷的是上海光源運(yùn)行開放后面臨的三大挑戰(zhàn)：上海光源能否長期穩(wěn)定可靠運(yùn)行，運(yùn)行性能處于什么水平？是否有足夠的用戶，用戶分布是否合理？可否產(chǎn)出足夠多的成果，成果水平和影響力如何？
讓趙振堂和他的團(tuán)隊(duì)深受鼓舞的是，上海光源開放運(yùn)行一年后，光源用戶第一篇《科學(xué)》文章就發(fā)表了。開放運(yùn)行12年后，上海光源用戶在《科學(xué)》《自然》《細(xì)胞》三大國際頂級(jí)刊物上發(fā)表的論文達(dá)到130篇。
如今，上海光源已經(jīng)成為科學(xué)家聚焦基礎(chǔ)前沿領(lǐng)域、解決重大科學(xué)問題的重要支撐，更成為上海建設(shè)具有全球影響力科創(chuàng)中心的一張靚麗名片。上海光源的定位也從自身建設(shè)運(yùn)行、性能提升，轉(zhuǎn)變?yōu)榭茖W(xué)家解決科學(xué)問題的科學(xué)研究高地。
上海光源的穩(wěn)定高效運(yùn)行與科研產(chǎn)出，讓人們看到了大科學(xué)裝置對(duì)科技成果的促進(jìn)作用。隨著國家對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)原創(chuàng)成果的重視，張江科學(xué)城迎來了建造大科學(xué)裝置集群的高潮。在上海光源的周圍，上海軟X射線自由電子激光裝置、上海硬X射線自由電子激光裝置等大科學(xué)裝置集群形成了具有重要國際影響力的光子科學(xué)中心。
可喜的是，一批活躍在世界前沿科學(xué)領(lǐng)域的青年科學(xué)家正在向這里集聚，上海光源正在成為凝聚和培養(yǎng)科學(xué)家人才的搖籃。
目前，上海光源線站工程正在加緊進(jìn)行，預(yù)計(jì)到2025年，上海光源將有35條光束線約50個(gè)實(shí)驗(yàn)站投入運(yùn)行。與此同時(shí)，世界范圍內(nèi)同步輻射光源大科學(xué)裝置建設(shè)依然勢頭不減，第四代同步輻射光源已經(jīng)開啟。面對(duì)新的機(jī)遇挑戰(zhàn)，趙振堂表示：“下一個(gè)十年將是上海光源黃金運(yùn)行開放時(shí)段，上海光源將持續(xù)產(chǎn)出重大成果，培養(yǎng)同步輻射骨干人才，研究新原理研發(fā)新技術(shù)，發(fā)展新一代同步輻射光源?！?/p>
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代表作二：
錦屏地下實(shí)驗(yàn)室： 在2400米巖層下等待暗物質(zhì)“造訪”
◎本報(bào)記者 張蓋倫
就是這里了。
中國四川，涼山彝族自治州，西昌市，錦屏水電廠，錦屏山交通隧道中部。
垂直巖石覆蓋厚度達(dá)2400米的中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，科研人員在努力聆聽暗物質(zhì)粒子的絮語。
科研人員早已發(fā)現(xiàn)，如果僅存在人們已知的物質(zhì)，宇宙根本不應(yīng)該是現(xiàn)在這副模樣，一定有別的東西在起作用。
從理論上來說，暗物質(zhì)并不罕見。據(jù)估算，暗物質(zhì)大約占據(jù)宇宙物質(zhì)質(zhì)量的85%。但是，它看不見、摸不著，幾乎不和任何物體發(fā)生作用，是存在于模型中的理論推演。
“誰能率先找到暗物質(zhì)，誰就能在科學(xué)上走在前頭。”清華大學(xué)工程物理系教授、國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施副總指揮兼總工程師李元景說。
是工程奇跡，也是暗物質(zhì)探測的絕佳選址
中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室的源起，其實(shí)帶點(diǎn)戲劇性。
電視上，這只是一條滾動(dòng)而過的字幕新聞：2008年8月8日，兩條各17.5公里的錦屏山交通隧道實(shí)現(xiàn)雙洞貫通。
那時(shí)，清華大學(xué)工程物理系團(tuán)隊(duì)，正在全國尋找深地實(shí)驗(yàn)室的合適地址。
我們一直生活在宇宙射線的“背景音”中。不同粒子，發(fā)出不同聲音，奏出宏大交響樂。但暗物質(zhì)太特別。它高冷又嬌羞，幾乎不和任何物體發(fā)生作用，也幾乎不發(fā)聲。人們需要一個(gè)足夠安靜的環(huán)境，屏蔽掉一切我們已知的噪聲，再造出足夠敏銳的耳朵，才可能在暗物質(zhì)粒子迎面而來時(shí)，聽到它的低吟淺唱。
所以，必須將一切推到極限。
屏蔽宇宙射線的最佳方式，就是將實(shí)驗(yàn)室建在地下。
找到暗物質(zhì)、研究暗物質(zhì)，將是人類認(rèn)識(shí)的一次重大飛躍，可能引發(fā)一場新的物理學(xué)革命。
尋找暗物質(zhì)之旅從2003年開始。
一個(gè)巧合是，也是在2003年，來自全國各地的近18000名水電開發(fā)者，來到人跡罕至的雅礱江錦屏大河灣，鑿開了他們的戰(zhàn)場，為錦屏一、二級(jí)水電站修建做準(zhǔn)備。
金沙江支流雅礱江奔流至木里、鹽源、冕寧三縣交界處，因被錦屏山阻隔，驟然掉頭，拐向東北方，形成長達(dá)150公里的錦屏大河灣。錦屏一、二級(jí)電站，就分別選址在這一大河灣東西兩端。連接兩座電站的錦屏山交通隧道，成為這浩大水利工程的兩條主動(dòng)脈。
清華大學(xué)的老師從新聞上看到了這個(gè)奇跡。他們敏銳地意識(shí)到，暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)室的地址，有了！
時(shí)任清華大學(xué)副校長的程建平教授領(lǐng)著團(tuán)隊(duì)，去往四川，找負(fù)責(zé)錦屏水電站工程的二灘公司（現(xiàn)雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，以下簡稱雅礱江公司），反復(fù)談了多次。高校和企業(yè)的這番跨界合作，還真成了。
實(shí)驗(yàn)室一期就建在錦屏山隧道中部?？臻g并不大，只有4000立方米，但填補(bǔ)了我國沒有深地實(shí)驗(yàn)室的空白。
經(jīng)測定，錦屏地下實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的宇宙射線通量可以降到地面水平的千萬分之一到億分之一，是目前國際上宇宙射線通量最低的地下實(shí)驗(yàn)室，也是全球巖石覆蓋厚度最深的地下實(shí)驗(yàn)室。
跟所有細(xì)節(jié)“較勁”，將一切推到極限
2010年，中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室正式運(yùn)行。
率先入駐的，是清華大學(xué)牽頭的盤古計(jì)劃（CDEX）高純鍺暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)和上海交通大學(xué)牽頭的熊貓計(jì)劃（PandaX）液氙暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。兩大項(xiàng)目，都是對(duì)暗物質(zhì)進(jìn)行直接探測，即測量暗物質(zhì)粒子直接彈性碰撞普通物質(zhì)引起的反沖核的數(shù)量和能量等數(shù)值。
隨著合作組對(duì)輻射本底的要求越發(fā)苛刻，高純無氧銅也不能直接拿來就用。清華大學(xué)工程物理系副教授馬豪說，材料只要在地面上，就會(huì)被宇宙射線撞擊，產(chǎn)生新的“噪聲”。于是，課題組要將高純無氧銅送到地下實(shí)驗(yàn)室，將銅電解再重組，去掉那些宇生同位素。
探測暗物質(zhì)最核心的裝置，就是高純鍺探測器。
傳統(tǒng)高純鍺探測器及其譜儀被廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)研究、核監(jiān)測、核應(yīng)急、國土安全和放射性管理等領(lǐng)域。但要探測暗物質(zhì)，對(duì)鍺的純度要求更高。
千足金叫“999”金，意思是含金量千分?jǐn)?shù)不小于999。而課題組需要的鍺，其純度要達(dá)到12至13個(gè)9。
目前，國內(nèi)還沒有制備這種大質(zhì)量高純鍺晶體的能力。
不過，在十余年尋找暗物質(zhì)過程中，研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)攻克了探測器制造技術(shù)?，F(xiàn)在，團(tuán)隊(duì)已能做出商業(yè)級(jí)別的高純鍺探測器，實(shí)現(xiàn)了成果轉(zhuǎn)化。
CDEX合作組的高純鍺探測器，就置身實(shí)驗(yàn)室白色聚乙烯伸縮門后。
它身處重重保護(hù)之下：1米厚的聚乙烯材料，用來慢化和吸收中子；20厘米厚的鉛層，用來屏蔽外部伽馬射線；20厘米厚的含硼聚乙烯，可以吸收熱中子；20厘米厚的高純無氧銅，則用來屏蔽外部鉛和含硼聚乙烯的伽馬射線。
2013年，CDEX合作組發(fā)表了我國首個(gè)暗物質(zhì)直接探測實(shí)驗(yàn)結(jié)果。2014年，給出點(diǎn)電極高純鍺暗物質(zhì)探測方面國際最靈敏實(shí)驗(yàn)結(jié)果。值得一提的是，這一結(jié)果，利用相同探測技術(shù)，確定性地排除了美國CoGeNT實(shí)驗(yàn)組給出的暗物質(zhì)存在區(qū)域。而PandaX的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，曾入選2016年度《科技導(dǎo)報(bào)》十大科學(xué)進(jìn)展和2017年度美國物理學(xué)會(huì)亮點(diǎn)。
無人知曉暗物質(zhì)粒子的真身。各個(gè)暗物質(zhì)探測團(tuán)隊(duì)，其實(shí)都在畫“排除線”。所謂排除線，意思就是，這一塊區(qū)域我們已經(jīng)找過了，沒有，可以再去別處找找。
排除線畫得越多，暗物質(zhì)可能的藏身空間就會(huì)被收縮得越小，尋找就能更加有的放矢。
二期擴(kuò)建，向成為全球深地科學(xué)研究中心進(jìn)發(fā)
暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)取得的成果，推動(dòng)了我國相關(guān)基礎(chǔ)前沿領(lǐng)域迅速發(fā)展，也吸引了更多科研需求。原有的暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)要升級(jí)，還有核天體物理實(shí)驗(yàn)、深地巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)、無中微子雙貝塔衰變實(shí)驗(yàn)……中國科學(xué)家渴望著這樣一個(gè)極深地下實(shí)驗(yàn)空間。
4000立方米，顯得越發(fā)捉襟見肘。
2014年，清華大學(xué)和雅礱江公司繼續(xù)合作，開挖錦屏地下實(shí)驗(yàn)室二期工程。
做這樣一個(gè)大工程，光有科學(xué)家團(tuán)隊(duì)是不行的。他們必須充分整合資源，找到靠譜的合作伙伴，協(xié)同前進(jìn)。
好在，錦屏地下實(shí)驗(yàn)室被列入了國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“十三五”規(guī)劃。它的正式名稱，叫極深地下極低輻射本底前沿物理實(shí)驗(yàn)設(shè)施。
從實(shí)驗(yàn)室一期出來，往西端走上500米左右，就到了實(shí)驗(yàn)室二期。它由4條子隧道構(gòu)成，總?cè)莘e達(dá)30萬立方米，被分成8個(gè)不同的主實(shí)驗(yàn)廳和其他公共區(qū)域。
中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室主任程建平曾對(duì)科技日報(bào)記者打過比方：如果實(shí)驗(yàn)室一期是一套別墅的話，那么實(shí)驗(yàn)室二期就是一個(gè)小區(qū)。小區(qū)內(nèi)，要容納更多的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。
但新的難題接踵而至。比如說，通風(fēng)。
二期實(shí)驗(yàn)空間從一期的4000立方米增加到了30萬立方米，在理論計(jì)算和研討以后，建設(shè)團(tuán)隊(duì)決定安裝三根800毫米管徑的聚乙烯材質(zhì)的通風(fēng)管道，從西端雅礱江畔的攔污壩平臺(tái)經(jīng)由排水洞輸送新風(fēng)到實(shí)驗(yàn)大廳，全長9公里。
但是自錦屏水電站發(fā)電之后，這條排水洞，實(shí)際上處于半廢棄狀態(tài)。洞內(nèi)沒有照明和通訊設(shè)備，有淤泥和涌水，有廢棄的風(fēng)機(jī)、龍門架、鋼筋、混凝土殘?jiān)€有多處深坑、圍堰、涌水點(diǎn)和欄壩。2016年年初，建設(shè)團(tuán)隊(duì)中的清華大學(xué)薛濤老師帶領(lǐng)兩位工程師，穿著連體防水服，帶著對(duì)講機(jī)、安全繩、救生衣、電筒和鐵鍬，進(jìn)入排水洞勘察。3個(gè)小時(shí)，他們穿過淤泥，淌過流水，一點(diǎn)點(diǎn)摸清排水洞洞內(nèi)情況，寫成了排水洞勘察報(bào)告，為通風(fēng)管道的修建，奠定了前期基礎(chǔ)。
現(xiàn)在，不同的科研團(tuán)隊(duì)，帶著他們各自待解的謎題，等待進(jìn)入擴(kuò)建后的中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室。
5月下旬，科技日報(bào)記者來到地下實(shí)驗(yàn)室二期B廳。在尚未完全建好的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，上海交大牽頭的PandaX合作組已經(jīng)緊鑼密鼓開始了工作。
探測暗物質(zhì)是國際競爭性項(xiàng)目，其他國家也在發(fā)力。這讓科研人員不得不分秒必爭。
PandaX實(shí)驗(yàn)升級(jí)后的4噸量級(jí)的液氙探測器正在緊張調(diào)試運(yùn)行，等候暗物質(zhì)的“造訪”?！拔覀兗影嗉狱c(diǎn)，但也踏踏實(shí)實(shí)。在保證安全的前提下，力爭早出結(jié)果?！?PandaX合作組一名研究人員向科技日報(bào)記者透露。
“我們在不斷地接近真相?！鄙虾＝煌ù髮W(xué)物理與天文學(xué)院助理研究員王舟說。不管是合作還是競爭，人類都在為拓展認(rèn)知邊界而努力。但在他們內(nèi)心，還是存著為國爭光的念頭。“我們想在人類科學(xué)史上，留下屬于中國人的一筆。”這位年輕的女科研人員說。
CDEX的實(shí)驗(yàn)也會(huì)升級(jí)到百公斤級(jí)甚至噸級(jí)的高純鍺陣列探測器，將探測靈敏度再提升兩個(gè)數(shù)量級(jí)。合作組的實(shí)驗(yàn)大廳中，近八層樓高的液氮罐已矗立在基坑內(nèi)。罐內(nèi)，將要放入1000個(gè)高純鍺探測器。
“我們特別有信心，10年后，中國會(huì)有一個(gè)全球聞名的地下實(shí)驗(yàn)室?！崩钤罢f得興奮。他設(shè)想著，把錦屏地下實(shí)驗(yàn)室變成全球深地科學(xué)研究中心。
到時(shí)，來自世界各地的科學(xué)家，從涼山西昌乘車一路向北，一路上，隧道連著隧道，高山夾著高山。約兩個(gè)小時(shí)后，當(dāng)錦屏山隧道的入口展現(xiàn)眼前，他們也會(huì)下意識(shí)感慨：就是這里了。
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代表作三：
量子通信： 架起天地一體萬里通信網(wǎng)
◎本報(bào)記者 吳長鋒
遨游在太空的“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，如今有了屬于自己的“正式名稱”。2020年9月11日，國家重大文化工程《辭?！罚ǖ谄甙妫┱綄?duì)外發(fā)布，本次新增內(nèi)容中添加了“量子通信”“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”等詞條。
2016年8月16日1時(shí)40分，我國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長征二號(hào)丁運(yùn)載火箭成功將世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”發(fā)射升空。為了這一天，中國的量子物理學(xué)家們，已經(jīng)準(zhǔn)備了10多年。
把量子實(shí)驗(yàn)室“搬”上太空
“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的誕生，源于我國“構(gòu)建全球范圍量子通信網(wǎng)”的科學(xué)愿景。
“把量子實(shí)驗(yàn)室‘搬’上太空的設(shè)想，10多年前就已被提出。”中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、中國科學(xué)院院士潘建偉說。
早在2003年，潘建偉團(tuán)隊(duì)就開始探索在自由空間實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的量子通信，提出了利用衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子糾纏分發(fā)的方案。在自由空間，環(huán)境對(duì)光量子態(tài)的干擾效應(yīng)極小，而光量子在穿透大氣層進(jìn)入外層空間后，其損耗更是接近于零，這使得自由空間信道比光纖信道在遠(yuǎn)距離傳輸方面更具優(yōu)勢。
2005年，潘建偉團(tuán)隊(duì)首先在合肥實(shí)現(xiàn)距離達(dá)13公里的自由空間量子糾纏分發(fā)和量子通信，13公里約等于地球表面的大氣厚度，這次實(shí)驗(yàn)在國際上首次證明糾纏光量子在穿透等效于整個(gè)大氣層厚度的地面大氣后，糾纏仍然能夠保持，其可被應(yīng)用于高效、安全的量子通信，該實(shí)驗(yàn)為后續(xù)的自由空間量子通信實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。
此前，一直走在全球量子通信領(lǐng)域前列的，是奧地利物理學(xué)家安東·蔡林格的團(tuán)隊(duì)。安東·蔡林格團(tuán)隊(duì)1997年在室內(nèi)首次完成了量子態(tài)隱形傳輸?shù)脑硇詫?shí)驗(yàn)驗(yàn)證，他們在2004年又利用多瑙河底的光纖信道將量子態(tài)隱形傳輸距離提高至600米。潘建偉到奧地利攻讀博士學(xué)位期間，曾在安東·蔡林格團(tuán)隊(duì)擔(dān)任研究骨干。
2001年，潘建偉學(xué)成回國，在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)建立起中國的量子物理實(shí)驗(yàn)室。在那之后，這對(duì)師徒既是合作伙伴又是競爭對(duì)手，正式開始了攀登量子通信技術(shù)高峰的競賽。
相比于安東·蔡林格團(tuán)隊(duì)，潘建偉團(tuán)隊(duì)的進(jìn)度更快，并逐步實(shí)現(xiàn)了從并跑到小幅度領(lǐng)先的超越。
2010年，潘建偉團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)當(dāng)時(shí)世界上最遠(yuǎn)距離的16公里量子隱形傳態(tài)，首次證實(shí)量子隱形傳態(tài)穿越大氣層的可行性，為未來基于衛(wèi)星中繼的全球化量子通信網(wǎng)奠定了可靠基礎(chǔ)。為了這次實(shí)驗(yàn)，潘建偉團(tuán)隊(duì)從2007年開始在北京八達(dá)嶺與河北懷來之間架設(shè)了一條長達(dá)16公里的自由空間量子信道。
隨后，潘建偉團(tuán)隊(duì)在青海湖地區(qū)新建實(shí)驗(yàn)基地，開展驗(yàn)證星地自由空間量子通信可行性的地基實(shí)驗(yàn)研究，從多個(gè)方面進(jìn)行攻關(guān)，旨在突破基于衛(wèi)星平臺(tái)自由空間量子通信的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，并在2012年實(shí)現(xiàn)全球首個(gè)上百公里的自由空間量子隱形傳態(tài)和量子糾纏分發(fā)，對(duì)星地量子通信可行性進(jìn)行了全方位地面驗(yàn)證。
在這場量子學(xué)革命的科學(xué)競賽中，多個(gè)“世界首次”“世界首個(gè)”均來自于由潘建偉領(lǐng)銜的“中國隊(duì)”：在國際上首次實(shí)現(xiàn)安全通信距離超過100公里的光纖量子密鑰分發(fā)、實(shí)現(xiàn)國際上首個(gè)全通型量子通信網(wǎng)絡(luò)、建成世界首個(gè)規(guī)?；孔油ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)……“這標(biāo)志著中國在量子通信領(lǐng)域的崛起，從10年前不起眼的國家逐步發(fā)展為現(xiàn)在的世界勁旅，將領(lǐng)先歐洲和北美?！眹H權(quán)威期刊《自然》雜志曾如此感嘆。
中國團(tuán)隊(duì)的這些研究工作，證明了實(shí)現(xiàn)基于衛(wèi)星的全球量子通信網(wǎng)絡(luò)和開展空間尺度量子力學(xué)基礎(chǔ)檢驗(yàn)的可行性。
挑戰(zhàn)世界最高難度
2010年3月31日，我國國務(wù)院第105次常務(wù)會(huì)議審議通過了中國科學(xué)院“創(chuàng)新2020”規(guī)劃，要求中國科學(xué)院“組織實(shí)施戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)，形成重大創(chuàng)新突破和集群優(yōu)勢”。
2011年1月25日，中國科學(xué)院實(shí)施啟動(dòng)首批“4+1”個(gè)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)，其中就包括空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)。空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)第一批確定研發(fā)包括“墨子號(hào)”在內(nèi)的四顆科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星。另外三顆分別為暗物質(zhì)探測衛(wèi)星“悟空”、我國首顆微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“實(shí)踐十號(hào)”和硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星“慧眼”。
“工程師的任務(wù)是技術(shù)實(shí)現(xiàn)，要把科學(xué)家的夢想變成現(xiàn)實(shí)。”量子衛(wèi)星工程常務(wù)副總師兼衛(wèi)星總指揮王建宇說，2011年量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”項(xiàng)目正式立項(xiàng)后，更高難度的挑戰(zhàn)開始了。
量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星是我國自主研發(fā)的星地量子通信設(shè)備，突破了一系列高精尖技術(shù)，包括“針尖對(duì)麥芒”的星地光路對(duì)準(zhǔn)，偏振態(tài)保持與星地基矢校正，量子光源載荷等關(guān)鍵技術(shù)。
王建宇從2007年就開始參與量子衛(wèi)星的研究工作。他是中國科學(xué)院上海分院的副院長、原中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所所長，作為光學(xué)遙感系統(tǒng)專家，他的團(tuán)隊(duì)與潘建偉團(tuán)隊(duì)合作，在遼闊美麗的青海湖畔實(shí)現(xiàn)了百公里級(jí)自由空間量子通信。
在2007年至2010年的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)階段，研究團(tuán)隊(duì)將量子密鑰產(chǎn)生的地方放在位于青海湖湖心島的海心山上，從中間向兩邊分發(fā)。
那時(shí)，晚上團(tuán)隊(duì)成員們就睡在帳篷里，同時(shí)還不能睡死，他們要打死一批批有可能干擾設(shè)備的蛾子。其中有位女研究生，從看見蛾子就害怕，到后來變成一邊做實(shí)驗(yàn)一邊面不改色地把蛾子一只只拍死的“殺手”。
“以前做衛(wèi)星，多少能找到參考資料，但這個(gè)量子衛(wèi)星的工作，屬國際首次，完全沒有參考?！蓖踅ㄓ钫J(rèn)為，最困難的環(huán)節(jié)就是實(shí)現(xiàn)天地一體化聯(lián)通。
按潘建偉等科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，“墨子號(hào)”不僅是天上的那顆衛(wèi)星，它還包括地面系統(tǒng)：1個(gè)中心——合肥量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，4個(gè)站——南山、德令哈、興隆、麗江量子通信地面站，1個(gè)平臺(tái)——阿里量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。衛(wèi)星和地面站之間，要做到最高精度的瞄準(zhǔn)和最靈敏的探測。
光量子非常小，它是光的最小單位，必須要用極為靈敏的探測器才能探測到；它的數(shù)量又非常多，“墨子號(hào)”衛(wèi)星每秒能分發(fā)1億光量子；此外，它還姿態(tài)萬千，能形成不同的量子編碼……
王建宇打了個(gè)比方：如果把光量子看成一個(gè)1元硬幣，星地實(shí)驗(yàn)就相當(dāng)于要在萬米高空飛行的飛機(jī)上，不斷把上億個(gè)硬幣一個(gè)個(gè)投到地面上一個(gè)不斷旋轉(zhuǎn)的儲(chǔ)錢罐里（偏振測量的基矢在變化），這不但要求硬幣擊中儲(chǔ)錢罐（瞄準(zhǔn)精度），而且要求硬幣準(zhǔn)確射入罐子上細(xì)長的投幣口（偏振保持）。
為了讓穿越大氣層后光量子的“針尖”仍能對(duì)上接收站的“麥芒”，王建宇團(tuán)隊(duì)與潘建偉團(tuán)隊(duì)一道，從2012年起開始進(jìn)行了各種實(shí)驗(yàn)：收發(fā)距離40公里的轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)，要與衛(wèi)星繞地運(yùn)行的角速度一致；30公里距離的車載高速運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，要考驗(yàn)超遠(yuǎn)距離“移動(dòng)瞄靶”能力；熱氣球浮空平臺(tái)實(shí)驗(yàn)，在空地環(huán)境下模擬量子密鑰分發(fā)……
這么困難的“針尖”對(duì)“麥芒”，其關(guān)鍵技術(shù)最終被一一攻破，在十幾個(gè)研究所的幾百位科研人員的傾情投入下，衛(wèi)星的初樣完成了。
構(gòu)建首個(gè)星地量子通信網(wǎng)
32年前，人類歷史上首次量子通信在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了，傳輸距離32厘米。而今，中國人將這個(gè)距離擴(kuò)展了1400多萬倍，實(shí)現(xiàn)了從地面到太空的多用戶通信。
2021年1月7日，國際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志上發(fā)表了題為《跨越4600公里的天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)》的論文。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)宣布，中國科研團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了跨越4600公里的星地量子密鑰分發(fā)，標(biāo)志著我國已構(gòu)建出天地一體化廣域量子通信網(wǎng)雛形。
20年磨一劍，中國在量子通信域?qū)崿F(xiàn)了從跟跑到領(lǐng)跑：量子保密通信京滬干線總長超過2000公里，是目前世界上最遠(yuǎn)距離的基于可信中繼方案的量子安全密鑰分發(fā)干線，該線路已于2017年9月底正式開通?！澳犹?hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星于2016年8月在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，圓滿完成了預(yù)定的全部科學(xué)目標(biāo)。
“墨子號(hào)”牽手“京滬干線”，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)科研人員潘建偉、陳宇翱、彭承志等與中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所王建宇研究組、濟(jì)南量子技術(shù)研究院及中國有線電視網(wǎng)絡(luò)有限公司合作，構(gòu)建了全球首個(gè)星地量子通信網(wǎng)。經(jīng)過為期兩年多的穩(wěn)定性、安全性測試，該通信網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了跨越4600公里的多用戶量子密鑰分發(fā)。
“要實(shí)現(xiàn)廣域量子通信，就要解決光量子損耗、退相干等一系列技術(shù)難題，比如光量子數(shù)在光纖里每傳輸約15公里就會(huì)損失一半，200公里后只剩萬分之一?！迸私▊フf，科研團(tuán)隊(duì)在光學(xué)系統(tǒng)等方面發(fā)展了多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，化解了這些難題。
全球首個(gè)星地量子通信網(wǎng)絡(luò)，覆蓋我國四省三市32個(gè)節(jié)點(diǎn)，包括北京、濟(jì)南、合肥和上海4個(gè)量子城域網(wǎng)，通過兩個(gè)衛(wèi)星地面站與“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星相連，總距離為4600公里，目前已接入金融、電力、政務(wù)等行業(yè)的150多家用戶。
目前，廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)的雛形已基本形成，未來在此基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步推動(dòng)量子通信在金融、政務(wù)、國防、電子信息等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
《自然》雜志審稿人對(duì)此評(píng)價(jià)道，這是地球上最大、最先進(jìn)的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，是量子通信“巨大的工程性成就”。星地量子通信網(wǎng)的建成，為未來實(shí)現(xiàn)覆蓋全球的“量子網(wǎng)”奠定科技基礎(chǔ)，也為相對(duì)論、引力波等科學(xué)研究，提供了前所未有的“天地實(shí)驗(yàn)室”。
