慶祝中國共產(chǎn)黨成立100周年特別策劃·大國重器系列報道
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 本報記者 王 春
編者按?在黨的堅強領(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)濟社會深度融合，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、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。從新的歷史起點再出發(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制、新冠病毒蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，再到外爾費米子世界重大物理實驗發(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)定運行凝聚了幾代科學(xué)家對我國粒子加速器建設(shè)躋身世界先進行列的夢想，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)濟主戰(zhàn)場、面向國家重大需求、面向人民生命健康的重要歷史使命。
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)電子對撞機、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，世界上第一臺第三代同步輻射光源開始用戶實驗。
方守賢、丁大釗和冼鼎昌三位院士敏銳地意識到光源大科學(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，而且難以在短時間內(nèi)看到實際經(jīng)濟效益。在上海光源項目預(yù)研階段，國家層面的決策也十分慎重。2001年，團隊成員完成了預(yù)制研究，上海光源項目卻沒有成功立項。
此時，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@段時間，將世界上加速器、光束線等領(lǐng)域新發(fā)展的先進技術(shù)和設(shè)計思想及時融入優(yōu)化設(shè)計方案。到了真正建設(shè)的時候，上海光源的設(shè)計性能得到了新的提升，保證了建成時步入世界先進行列并達到一流水平。”中國科學(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)非常堅定，因為國家的創(chuàng)新發(fā)展需要這樣的關(guān)鍵大科學(xué)裝置，他們鼓勵我們要對未來充滿信心?！壁w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他堅定信心。
2004年11月，國務(wù)院常務(wù)會議終于批準(zhǔn)了上海光源工程建議書，該工程于同年12月正式動工。
填補空白，大科學(xué)裝置前沿技術(shù)集成攻關(guān)
2001年完成預(yù)研，2004年破土動工，2009年開放運行……上海光源工程的不同階段，趙振堂的團隊面臨著不同的難題：最先直面的是在投入和經(jīng)驗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，作為公共性平臺設(shè)施，能不能保證國際先進水平的運行性能。
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，工程指揮部主持研制了41項單元技術(shù)，其中22項為國內(nèi)首次研制，有26項設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)達到國際先進水平。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)計和預(yù)研工作。
據(jù)介紹，上海光源由一臺150MeV的直線加速器、全能量增強器和一臺3.5GeV電子儲存環(huán)組成，其中儲存環(huán)周長約432米，直徑超過160米。這樣一個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)，需要把世界先進技術(shù)設(shè)備有機結(jié)合，這勢必會帶來集成創(chuàng)新難度。
“最困難的地方，是要盡可能把先進的設(shè)計思想和技術(shù)融入設(shè)施建設(shè)方案中，還要對先進技術(shù)方案和性價比方面進行綜合選擇取舍，掌握裝置所需加工周期、材料和制造費用，使其在可控的時間、經(jīng)費內(nèi)完成?！壁w振堂說。
第三代同步輻射光源的特點是光束高亮度，而且光的位置和發(fā)射角要高穩(wěn)定，光斑的抖動要控制在零點幾個微米的水平上，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影響。
為保證裝置性能處于世界領(lǐng)先水平，上海光源團隊進行了長期技術(shù)攻關(guān)探索。例如，不斷進行低發(fā)射度的儲存環(huán)優(yōu)化設(shè)計，分析研判各種設(shè)備性能要達到的技術(shù)指標(biāo)，同時還要進行關(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)，這些工作均填補了國內(nèi)空白。
團隊不斷開展高強度技術(shù)攻關(guān)，在我國首次研制出一臺臺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)運行的最大問題。”令趙振堂難以忘懷的是上海光源運行開放后面臨的三大挑戰(zhàn)：上海光源能否長期穩(wěn)定可靠運行，運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？
讓趙振堂和他的團隊深受鼓舞的是，上海光源開放運行一年后，光源用戶第一篇《科學(xué)》文章就發(fā)表了。開放運行12年后，上海光源用戶在《科學(xué)》《自然》《細(xì)胞》三大國際頂級刊物上發(fā)表的論文達到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)定高效運行與科研產(chǎn)出，讓人們看到了大科學(xué)裝置對科技成果的促進作用。隨著國家對基礎(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行，預(yù)計到2025年，上海光源將有35條光束線約50個實驗站投入運行。與此同時，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。面對新的機遇挑戰(zhàn)，趙振堂表示：“下一個十年將是上海光源黃金運行開放時段，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：
錦屏地下實驗室： 在2400米巖層下等待暗物質(zhì)“造訪”
◎本報記者 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2400米的中國錦屏地下實驗室內(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?！鼻迦A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
中國錦屏地下實驗室的源起，其實帶點戲劇性。
電視上，這只是一條滾動而過的字幕新聞：2008年8月8日，兩條各17.5公里的錦屏山交通隧道實現(xiàn)雙洞貫通。
那時，清華大學(xué)工程物理系團隊，正在全國尋找深地實驗室的合適地址。
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，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，就是將實驗室建在地下。
找到暗物質(zhì)、研究暗物質(zhì)，將是人類認(rèn)識的一次重大飛躍，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150公里的錦屏大河灣。錦屏一、二級電站，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脈。
清華大學(xué)的老師從新聞上看到了這個奇跡。他們敏銳地意識到，暗物質(zhì)實驗室的地址，有了！
時任清華大學(xué)副校長的程建平教授領(lǐng)著團隊，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。
實驗室一期就建在錦屏山隧道中部。空間并不大，只有4000立方米，但填補了我國沒有深地實驗室的空白。
經(jīng)測定，錦屏地下實驗室內(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驗室，也是全球巖石覆蓋厚度最深的地下實驗室。
跟所有細(xì)節(jié)“較勁”，將一切推到極限
2010年，中國錦屏地下實驗室正式運行。
率先入駐的，是清華大學(xué)牽頭的盤古計劃（CDEX）高純鍺暗物質(zhì)實驗和上海交通大學(xué)牽頭的熊貓計劃（PandaX）液氙暗物質(zhì)實驗項目。兩大項目，都是對暗物質(zhì)進行直接探測，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驗室，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，其純度要達到12至13個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，研究團隊已經(jīng)攻克了探測器制造技術(shù)?，F(xiàn)在，團隊已能做出商業(yè)級別的高純鍺探測器，實現(xiàn)了成果轉(zhuǎn)化。
CDEX合作組的高純鍺探測器，就置身實驗室白色聚乙烯伸縮門后。
它身處重重保護之下：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)表了我國首個暗物質(zhì)直接探測實驗結(jié)果。2014年，給出點電極高純鍺暗物質(zhì)探測方面國際最靈敏實驗結(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實驗組給出的暗物質(zhì)存在區(qū)域。而PandaX的實驗結(jié)果，曾入選2016年度《科技導(dǎo)報》十大科學(xué)進展和2017年度美國物理學(xué)會亮點。
無人知曉暗物質(zhì)粒子的真身。各個暗物質(zhì)探測團隊，其實都在畫“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被收縮得越小，尋找就能更加有的放矢。
二期擴建，向成為全球深地科學(xué)研究中心進發(fā)
暗物質(zhì)實驗取得的成果，推動了我國相關(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)實驗要升級，還有核天體物理實驗、深地巖石力學(xué)實驗、無中微子雙貝塔衰變實驗……中國科學(xué)家渴望著這樣一個極深地下實驗空間。
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，開挖錦屏地下實驗室二期工程。
做這樣一個大工程，光有科學(xué)家團隊是不行的。他們必須充分整合資源，找到靠譜的合作伙伴，協(xié)同前進。
好在，錦屏地下實驗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驗設(shè)施。
從實驗室一期出來，往西端走上500米左右，就到了實驗室二期。它由4條子隧道構(gòu)成，總?cè)莘e達30萬立方米，被分成8個不同的主實驗廳和其他公共區(qū)域。
中國錦屏地下實驗室主任程建平曾對科技日報記者打過比方：如果實驗室一期是一套別墅的話，那么實驗室二期就是一個小區(qū)。小區(qū)內(nèi)，要容納更多的實驗團隊和實驗項目。
但新的難題接踵而至。比如說，通風(fēng)。
二期實驗空間從一期的4000立方米增加到了30萬立方米，在理論計算和研討以后，建設(shè)團隊決定安裝三根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經(jīng)由排水洞輸送新風(fēng)到實驗大廳，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、龍門架、鋼筋、混凝土殘渣，還有多處深坑、圍堰、涌水點和欄壩。2016年年初，建設(shè)團隊中的清華大學(xué)薛濤老師帶領(lǐng)兩位工程師，穿著連體防水服，帶著對講機、安全繩、救生衣、電筒和鐵鍬，進入排水洞勘察。3個小時，他們穿過淤泥，淌過流水，一點點摸清排水洞洞內(nèi)情況，寫成了排水洞勘察報告，為通風(fēng)管道的修建，奠定了前期基礎(chǔ)。
現(xiàn)在，不同的科研團隊，帶著他們各自待解的謎題，等待進入擴建后的中國錦屏地下實驗室。
5月下旬，科技日報記者來到地下實驗室二期B廳。在尚未完全建好的實驗室內(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實驗升級后的4噸量級的液氙探測器正在緊張調(diào)試運行，等候暗物質(zhì)的“造訪”?！拔覀兗影嗉狱c，但也踏踏實實。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?！拔覀兿朐谌祟惪茖W(xué)史上，留下屬于中國人的一筆?！边@位年輕的女科研人員說。
CDEX的實驗也會升級到百公斤級甚至噸級的高純鍺陣列探測器，將探測靈敏度再提升兩個數(shù)量級。合作組的實驗大廳中，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個高純鍺探測器。
“我們特別有信心，10年后，中國會有一個全球聞名的地下實驗室。”李元景說得興奮。他設(shè)想著，把錦屏地下實驗室變成全球深地科學(xué)研究中心。
到時，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。約兩個小時后，當(dāng)錦屏山隧道的入口展現(xiàn)眼前，他們也會下意識感慨：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)
◎本報記者 吳長鋒
遨游在太空的“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(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ν獍l(fā)布，本次新增內(nèi)容中添加了“量子通信”“量子科學(xué)實驗衛(wèi)星”等詞條。
2016年8月16日1時40分，我國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長征二號丁運載火箭成功將世界首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”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。
把量子實驗室“搬”上太空
“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(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。
“把量子實驗室‘搬’上太空的設(shè)想，10多年前就已被提出?！敝袊茖W(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，潘建偉團隊就開始探索在自由空間實現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的量子通信，提出了利用衛(wèi)星實現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子糾纏分發(fā)的方案。在自由空間，環(huán)境對光量子態(tài)的干擾效應(yīng)極小，而光量子在穿透大氣層進入外層空間后，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，潘建偉團隊首先在合肥實現(xiàn)距離達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，這次實驗在國際上首次證明糾纏光量子在穿透等效于整個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，該實驗為后續(xù)的自由空間量子通信實驗奠定基礎(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·蔡林格的團隊。安東·蔡林格團隊1997年在室內(nèi)首次完成了量子態(tài)隱形傳輸?shù)脑硇詫嶒烌炞C，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·蔡林格團隊擔(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驗室。在那之后，這對師徒既是合作伙伴又是競爭對手，正式開始了攀登量子通信技術(shù)高峰的競賽。
相比于安東·蔡林格團隊，潘建偉團隊的進度更快，并逐步實現(xiàn)了從并跑到小幅度領(lǐng)先的超越。
2010年，潘建偉團隊成功實現(xiàn)當(dāng)時世界上最遠(yuǎn)距離的16公里量子隱形傳態(tài)，首次證實量子隱形傳態(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)。為了這次實驗，潘建偉團隊從2007年開始在北京八達嶺與河北懷來之間架設(shè)了一條長達16公里的自由空間量子信道。
隨后，潘建偉團隊在青海湖地區(qū)新建實驗基地，開展驗證星地自由空間量子通信可行性的地基實驗研究，從多個方面進行攻關(guān)，旨在突破基于衛(wèi)星平臺自由空間量子通信的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，并在2012年實現(xiàn)全球首個上百公里的自由空間量子隱形傳態(tài)和量子糾纏分發(fā)，對星地量子通信可行性進行了全方位地面驗證。
在這場量子學(xué)革命的科學(xué)競賽中，多個“世界首次”“世界首個”均來自于由潘建偉領(lǐng)銜的“中國隊”：在國際上首次實現(xiàn)安全通信距離超過100公里的光纖量子密鑰分發(fā)、實現(xiàn)國際上首個全通型量子通信網(wǎng)絡(luò)、建成世界首個規(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。
中國團隊的這些研究工作，證明了實現(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“組織實施戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項，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)院實施啟動首批“4+1”個戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項，其中就包括空間科學(xué)先導(dǎo)專項?？臻g科學(xué)先導(dǎo)專項第一批確定研發(fā)包括“墨子號”在內(nèi)的四顆科學(xué)實驗衛(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)實驗衛(wèi)星“實踐十號”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)實現(xiàn)，要把科學(xué)家的夢想變成現(xiàn)實。”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)實驗衛(wèi)星“墨子號”項目正式立項后，更高難度的挑戰(zhàn)開始了。
量子科學(xué)實驗衛(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“針尖對麥芒”的星地光路對準(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，他的團隊與潘建偉團隊合作，在遼闊美麗的青海湖畔實現(xiàn)了百公里級自由空間量子通信。
在2007年至2010年的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)階段，研究團隊將量子密鑰產(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，晚上團隊成員們就睡在帳篷里，同時還不能睡死，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驗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，但這個量子衛(wèi)星的工作，屬國際首次，完全沒有參考。”王建宇認(rèn)為，最困難的環(huán)節(jié)就是實現(xiàn)天地一體化聯(lián)通。
按潘建偉等科學(xué)家的實驗設(shè)計要求，“墨子號”不僅是天上的那顆衛(wèi)星，它還包括地面系統(tǒng)：1個中心——合肥量子科學(xué)實驗中心，4個站——南山、德令哈、興隆、麗江量子通信地面站，1個平臺——阿里量子隱形傳態(tài)實驗平臺。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”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……
王建宇打了個比方：如果把光量子看成一個1元硬幣，星地實驗就相當(dāng)于要在萬米高空飛行的飛機上，不斷把上億個硬幣一個個投到地面上一個不斷旋轉(zhuǎn)的儲錢罐里（偏振測量的基矢在變化），這不但要求硬幣擊中儲錢罐（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”仍能對上接收站的“麥芒”，王建宇團隊與潘建偉團隊一道，從2012年起開始進行了各種實驗：收發(fā)距離40公里的轉(zhuǎn)臺實驗，要與衛(wèi)星繞地運行的角速度一致；30公里距離的車載高速運動實驗，要考驗超遠(yuǎn)距離“移動瞄靶”能力；熱氣球浮空平臺實驗，在空地環(huán)境下模擬量子密鑰分發(fā)……
這么困難的“針尖”對“麥芒”，其關(guān)鍵技術(shù)最終被一一攻破，在十幾個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)建首個星地量子通信網(wǎng)
32年前，人類歷史上首次量子通信在實驗室實現(xiàn)了，傳輸距離32厘米。而今，中國人將這個距離擴展了1400多萬倍，實現(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，中國科研團隊成功實現(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?！澳犹枴绷孔涌茖W(xué)實驗衛(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”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)實現(xiàn)了跨越4600公里的多用戶量子密鑰分發(fā)。
“要實現(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公里就會損失一半，200公里后只剩萬分之一。”潘建偉說，科研團隊在光學(xué)系統(tǒng)等方面發(fā)展了多項先進技術(shù)，化解了這些難題。
全球首個星地量子通信網(wǎng)絡(luò)，覆蓋我國四省三市32個節(jié)點，包括北京、濟南、合肥和上海4個量子城域網(wǎng)，通過兩個衛(wèi)星地面站與“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(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，可進一步推動量子通信在金融、政務(wù)、國防、電子信息等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
《自然》雜志審稿人對此評價道，這是地球上最大、最先進的量子密鑰分發(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，為未來實現(xiàn)覆蓋全球的“量子網(wǎng)”奠定科技基礎(chǔ)，也為相對論、引力波等科學(xué)研究，提供了前所未有的“天地實驗室”。
