张亮

2016年8月16日，我国量子科学实验卫星“墨子号”发射升空，引起世界范围内的关注，因为这是全球首颗成功发射的量子卫星，这一科技突破使得我国在量子通信激烈的国际竞争中抢占了主动权。要实现量子通信的功能，离不开卫星的有效载荷，中科院上海技术物理研究所承担了量子卫星载荷总体单位的重任。这其中，张亮和他的同事们研制了量子密钥通信机和量子纠缠发射机两项有效载荷，攻克了建立低损耗、高可靠的星地量子通信光电链路等科学难题，相关工作经媒体报道和科学院表彰后广受好评。笔者在前两年采访墨子号量子卫星工程常务副总设计师、卫星总指挥王建宇时，提到这位年轻后生时他也是称誉有加。所以看到2019年启明星入选名单中有张亮时，就有一种亲切感。也因此我们联系采访了这位上海技物所量子项目组青年团队负责人，希望从他的口中了解到更多关于量子卫星背后的故事。

中科大学习，奠定日后研究根底

张亮1985年出生于山东省临清市的一个普通农村家庭。用张亮自己的话说，初二以前，他的学习成绩很一般，也许当时的他对学习还没有开窍，加上喜欢跟小伙伴们一起“疯玩”。初中后换到了市区学校，玩伴少了，这样就把更多的心思放在学习上，成绩一下子有了很大的提升，从初二到整个高中，他的成绩一直保持在班级里数一数二。“高考时没考出自己应有的成绩，这样就填报了中国科技大学的精密机械与精密仪器专业。”

虽然没能上自己理想的学校，但中科大浓厚的学习氛围让他悟到这是一个能让人沉下心来学习知识、做科研的地方。在这里，白天图书馆、自修室里一座难求，很多同学早上五六点就会去图书馆占位置。而到了晚上，尤其是熄灯以后，还会有很多人跑到大厅、洗衣房等公共区域继续看书，实验室经常灯火通明。

大一时（2002年），张亮自荐当了班级的学习委员。大二时，他参加了学校的机器人设计比赛，那时他开始接触到传感、遥控等光机电概念。这次组队参赛，张亮的知识应用能力和团队协作能力都得到了锻炼，但他也深感与之相关的光机电知识体系十分庞大，必须努力学习掌握更多的知识。于是，大三时，他选修了关于电子信息科学与技术的双学位课程。主修课程注重基本的物理知识、光学工程、机械传感等，选修的课程则注重电子与计算机相关的知识，两者互为补充。事实上，张亮后来的研究方向选择与选修的课程有十分紧密的联系，他现在的工作是系统集成技术的研究，这些研究大多是建立在电子信息科学与技术专业的基础之上的，但同时又应用了很多精密机械方面的知识。可以说，两个专业的课程学习为他日后的研究奠定了扎实的基础。

回忆大学生活，张亮大二暑假时生病住院做了手术，整个住院及医药费的报销都是辅导员和同学们帮忙，这让他至今感到温暖。当时上网吧打游戏之风已经弥漫到校园，张亮也曾沉迷于中，但那场病让他痛悟到必须有所改变，决不能再一直坐在电脑前。

整个本科阶段，张亮还是保持了自己一贯的“优良传统”——系年级第一。这让他在保研时有很大的优势：除了中科大以外，还可以选择其他院校。中科大与中科院一直有良好的研究生联合培养机制，当时中科院的上海技术物理研究所（以下简称技物所）在毕业生中的口碑特别好，张亮有几个师兄也去了技物所，所以张亮把技物所作为了首选。

技物所攻博，有幸结缘好项目

2006年，张亮来到上海技物所，师从王建宇老师。王建宇是在空间光电技术和卫星系统设计研究领域有很深造诣的科学家，是后来大家所熟知的“墨子号”量子卫星的常务副总设计师。“当时其实对技物所的导师们不熟，我就跟着同学一起选择了王老师，现在看来，我真的很幸运。”张亮回忆道。

张亮原以为到技物所做的都是高大上的研究，但没想到一开始是帮一家公司研制一台机器。张亮回忆，当时科研条件远不如现在这么好，为了缓解经费压力，来自企业的横向课题占了一定的比例。不过，横向课题的这段经历也让他有了更多机械方面的积累。

2008年，为了验证量子卫星发射是否在技术上可行，中科院设立了一个重大预研项目，即为量子卫星做关键技术攻关和地面实验验证，如果验证可行，则下一步将正式立项量子卫星工程项目，这也是奠定后期研究基础非常关键的一步。这是一个大项目，主要承担者、中科大的潘建伟教授找到了在工程上经验丰富的王建宇老师，邀请他担任工程总负责人。张亮解释道：“当时的分工是，潘老师团队主要负责提出科学目标及研究量子信号生成与处理，而我们这边负责将科学目标转换为工程技术语言以及牵头卫星载荷系统实施。”

张亮的研究生涯可以说是从这个项目开始的，他参与了光机载荷和外场实验验证两个子课题（另外的子课题包括量子通信电子学等），光机载荷的控制算法与光电技术也成了他博士课题的核心工作。

目前，空间光传输仍然是困扰科学家的一大难题，需要将光信号从天上发到地面并且准确无误地接收。特别是对于量子信号，其发散角非常窄，要使发射的信号在快速（高速运动的卫星移动速度7.8公里/秒）移动过程中（移动距离从500公里到2 000公里的高度）能够始终精确对准地面的接收站，其难度如同从万米高空飞行的飞机上连续不断地把一枚枚硬币准确投入地面上一个旋转着的储蓄罐内。这是一个系统工程，张亮在导师的指导下，从算法、设计到器件、工艺、装配等，一个个技术难点进行攻关，完成了精确跟踪控制子系统的研制。

三入青海湖，为项目踩点做验证

为了实地验证系统的可行性，需要完成一系列的过程：选点﹣验证﹣改进﹣再验证﹣再改进，这个过程花费了两年多时间。

2008，绕湖登山选点 2008年10月，在导师的带领下张亮初次来到青海湖，为后续的验证选择具体的测试点。青海湖地区能见度高，且地域足够大（绕湖一周400公里），在这里找到相距100公里能见度达标的测试点是有可能的。10月的青海湖已经非常冷，张亮与小伙伴们为了找到最佳测试点，通常是在一天起雾最少的傍晚时分摸黑到零下10摄氏度的山上进行测试选点。

2009，冒险完成车载实验 在完成选点后的2009年8月，张亮和团队小伙伴们再上青海湖，这次是把研制的关键仪器带到现场进行验证。他们首先用车载测试来模拟卫星的移动。为了尽可能减少对量子信号的干扰，在交通主道上进行的车载测试甚至连灯都不敢打开，因为灯光会影响量子信号测试的准确性。在车来车往的交通主道上一辆没有开灯的车在行驶是有安全之虞的。事后有人说他们是在“用生命做实验”。经过一个月的测试后，他们带着大量的实验数据回去了。

2010，完成热气球量子密钥分配实验 经过又一年的实验改进，2010年7月，张亮带着改进后的实验仪器第三次出现在青海湖。这一次，他们选择用热气球来验证载荷的动态跟踪能力，即在距离地面几十米的热气球上将量子信号发射到地面目标并接收，这样的模拟更接近实际情况。然而，困难重重，光是热气球的升空就经历了多次失败。晚上风大、不稳定、温差大等都是测试的不利因素，在热气球上进行测试也有一定的危险性。但最终凭借着坚强的毅力，一次又一次的失败后他们最终成功完成了热气球量子密钥分配实验。

正在准备热气球量子密钥分配实验

临意外考验，排除万难建功业

令张亮没想到的是，这次测试更大的考验还在后面。在做100公里定点量子通信实验时，他们像之前一样往山上运设备，但没想到汽车在急转弯时，整个设备被甩到了地上，摔成了三段，零部件也都散落开来，所有人一下子懵了。这个项目从一开始，张亮就全程深度参与，他当然清楚这台设备凝聚了多少人的心血，花费的时间和成本有多高！是时还在读研究生的他有点手足无措，既担心昂贵的设备损失，又担心项目的进展受到影响。忐忑之中他拨通了王建宇老师的电话，王老师的话就像一颗定心丸：“人没事，那就没事！先回上海，我们把设备修好明年再来。”

平静下来以后，张亮又抖擞精神，立马查看所有部件的损坏情况。不幸中的大幸，设备的关键部件（光学望远镜）没有损坏，这就说明这台设备还有救。张亮决定调整策略：暂时不回上海，留下来力争把它修好继续进行测试。“设备都是我一步步亲自参与装配起来的，因此我很熟悉，当看到那个关键部件没有损坏时我心里就有底了，设备应该可以修复，并且我们还要抢时间进度。” 张亮回忆道。他们把散掉的碎片化仪器一一拼装检测修复，完全损坏不能修的部件就让同事从上海带过来。经二十多天的彻夜抢修，借助带过去的检测和装配设备，张亮与这些年轻的小伙伴们竟然把设备修复好了。

在宾馆修复设备

尽管团队没日没夜地在抢进度，但设备修复好时大雪已经开始封山，如果再不去实验，那么就要等到第二年了。大家最后还是踩着雪到海拔

3 500米高的选定点上进行了测试。寒冷和高原反应让这群年轻人吃尽了苦头。日落后的一小时内是最佳的实验时间，超过一小时，水汽开始变大，水汽系数太高时光信号的透过率会急剧下降。虽然实验只有一个小时时间，但每天的前期准备工作都要做足，在温度极低的山上，光是让设备热起来都要两三个小时。这次的百公里定点实验旨在验证100公里跨距的大气链路量子通信是否可行。因为大气中的湍流是影响量子链路效率的关键因素，如果100公里长度能够克服湍流影响，那么卫星通信就基本无虞。

为了充分验证，确保实验过程的可靠性和可行性，张亮带领的团队三入青海湖，几乎跑遍了湖区的每个点。诸多曲折后，团队最后成功达到了预定的计划目标，完成了世界首次热气球浮空平台和近百公里量子密钥分配实验，相关成果发表在了世界顶级期刊《自然﹣光子学》（Nature Photonic）上，也被国际同行评价为“人类向天地量子保密通信迈出的重要一步”。

十年磨一剑，完成星地对接

临近毕业，预研项目也接近了尾声，张亮在这个项目上的出色表现王老师都看在眼里。由于预研项目的成功，墨子号天地量子科学实验通信卫星工程项目也即将立项，王老师希望他能留下来。作为当今世界通信领域的热门新宠，量子通信引起了国际科学界的极大关注，各国竞相研发和拼力角逐，因此这个项目对任何该领域的科学家而言都有极大的吸引力，更何况张亮已经在这个项目的前期投入了几乎自己的全部心力，未来，他一定能在量子通信卫星的研发中得到更大的锻炼和收获，他无悬念地选择了留下。

然而，理想很丰满，现实却是骨感的，在研制的过程中碰到的挑战超乎了张亮的想象，曾经一度他觉得项目要做不下去了。

墨子号上搭载了四个主载荷，上海技物所是载荷总体单位，牵头研制量子密钥通信机和量子纠缠发射机（中国科学技术大学牵头研制量子纠缠源、量子实验控制与处理机）。所谓量子密钥通信就是在卫星和地面之间建立并共享一串密钥，以保证通讯的安全可靠。这个密钥通过点对点传输，量子力学的基本特性使得即使传输中的信号被人截获，窃听者也不可能获得任何有意义的信息。量子纠缠发射机主要是为了验证物理学上的量子纠缠科学原理，在地面验证卫星上的信号（1 000公里或更远的距离）是否存在瞬时感应的现象，即量子对是否有纠缠。需要指出的是，未来可望应用到量子密钥通信上的量子纠缠目前还在实验探索阶段。

张亮在以上项目中负责量子密钥通信机的设计、研制和验证等。虽然他负责研制的是密钥通信机，但它需要具备量子密钥、量子纠缠和量子隐形传输（主要通过量子纠缠来传输粒子的量子态，目前只能传输一个光子）这三个功能，是量子号上四个载荷中功能最全的设备。此外，张亮还牵头负责四个载荷的总体联测。

虽然前期已经做过大量的地面实验论证工作，但毕竟地面实验和星地实验是很不一样的。星地量子信号的传输对实验设备的研制要求极高，在攻克了卫星与地面接收站的微弧度高精度跟瞄、高保偏量子信号偏振调制等一个个载荷工程研发中的核心技术问题后，如何能保证100%的成功率成了又一难点。因为对于工程项目而言，100%的成功率是一个必备指标。换言之就算成功了99次，执行任务那一次失败了，就算失败了。

以灵敏度高而著称的单光子探测器件为例，迄今为止，这个器件在美国也只进行过一次卫星测试，我国是世界上首次在卫星上正式使用此器件的国家。研究团队在地面模拟太空辐照实验时发现，太空中的大量高能粒子辐射会对该探测器件造成损伤，其寿命在太空中只有一个星期，但是整个工程需要这台探测器在太空中待两年。这与预期严重不符，怎么办？团队的研究进度曾一度卡在这里，经过一年多的时间，团队最后通过研制高屏蔽材料和相应的制冷措施将器件的寿命从一个星期提高到了两三年。

张亮还清楚地记得，2015年10月的热光实验需要把所有载荷放到真空和低温下进行性能测试，团队为此连续15天、24小时不间断地工作，每天都要坚持到凌晨3点进行数据分析、总结并将第二天的实验方案设计出来。

星地对接

从2011年开始研制到2016年发射，几年时间中团队碰到了无数次项目几乎要推倒重来的至暗时刻，但又一次次依靠他们的坚韧和毅力迎来了属于他们的曙光。2016年，世界首颗量子科学实验卫星墨子号升空发射，世人瞩目。团队多年来的坚持不懈、日夜加班付出的努力获得了回报。当看到卫星发射后的第一手数据和图片时，张亮激动难掩：“它比我想象中还要美！”

实现量子通信的真正应用，还需加倍努力

卫星载荷虽然上天了，但并不意味着它就能自动实现功能，这需要人为设定指令令其工作。因此，在此后的两年里，张亮就是负责载荷的运行管理，包括设计载荷工作流程、编制指令、问题排查等。交付给用户使用时，张亮总共牵头设计了30多种指令和相应的工作模式来完成不同的功能。如今，用户只需要选取其中的模式即可应用。

谈及下一步的工作方向，张亮说，墨子号目前只是科学实验卫星，离真正的应用还有距离。例如，其运行的轨道高度只有500公里，卫星每天过地面某个点的时间只有十几分钟，而且无法满足白天的应用需求。下一步想研制的是轨道高度达到3.6万公里的同步轨道卫星，在这样的高度实施量子信号传输，可以不受地域、时间所限，随时随地通信。

十几年围绕卫星载荷进行持续不懈的攻关探索，在导师指导下不断地破解难题，牵头完成了量子密钥通信机这一最大载荷的研制任务，在这一过程中，张亮从一名研究生成长为一位能够独当一面的型号主任设计师。这是一个不断成长蜕变、也不断打破不可能的过程。量子卫星项目成了他施展才能和抱负的舞台。人们不会忘记在我国量子卫星成功飞天、稳定运行的辉煌背后有着张亮这样一批特别能吃苦、特别能战斗的年轻人。

梁偲、江世亮写于2019年11月30日