“墨子号”量子科学实验卫星大科学工程的历史与管理模式探究

张志会,马连轶

(1.中国科学院自然科学史研究所,北京 100190；2.北京航天长峰科技工业集团有限公司，北京 100854)

1 国内外大科学工程的发展历史与管理模式概述

1.1 国内外大科学工程发展简述

大科学工程是以科学探究为主要目标，又有赖于工程实现的工程，如中微子探测大科学工程、“墨子号”量子科学实验卫星工程等。大科学工程往往规模大、资金投入多、能产生很大的经济社会效益，对科技与社会的影响深远，但也伴随着较大的项目风险。大科学工程往往要经历预研、设计、建设、运行和维护等一系列活动，需要科学高效的科研组织和工程管理才能顺利实施。人类历史上大科学工程的管理模式随着时间发展而不断演变。

20世纪 40 年代美国开展的“曼哈顿计划”是人类历史上第一个大科学工程，该计划所采用的集散联合项目制后被众多大科学工程所采用，阿波罗登月计划、人类基因组计划等均采用了这种管理模式。二战之后美国政府大幅度增加科研和工程发展经费，在欧美科研项目申请中最早出现了PI(Principal Investigator)制，意为学科带头人对所负责项目有主导权。这种科研组织管理模式后来在我国重大科技任务的管理中被广泛采用。

20世纪70年代后，发达国家的重大科技任务中，如日本超大规模集成电路(VLSI)项目(1976年)、欧盟框架计划(1984年起)、美国国家纳米技术计划(NNI)(2000年1月起)[1]，以及韩国《至2025年的科技发展长期计划》(又称为韩国先导计划，2000年起)[2]等，均采用了产学研联合研究的组织管理形式[3]。

不同时期因时代背景不同，重大科技任务的组织模式也不尽相同。20世纪50—70年代，我国实施了“两弹一星”工程，政治要素与技术、行政因素在该工程的组织实施中共同发挥重要影响[4]。该工程开创了项目“工程两总”系统(总指挥、总设计师)，即通常所说的技术指挥线和行政指挥线构成的“两条指挥线”，其中总设计师专注技术实现，工程总指挥负责调度管理。“两弹一星”是我国运用举国体制成功开展重大科技任务的典范。

改革开放后，我国实施了“863计划”和“973计划”等重大高科技项目。这些项目继承了“两弹一星”工程的“举国体制”，又借鉴了西方PI制，在全国范围内以项目形式大规模实施，在各领域设立专家委员会，由专家进行决策管理；首席科学家对项目总负责。还有学者提出在863项目中应用虚拟合同研发组织等进行组织制度变革[5]。

20世纪90年代开始的载人航天工程继承了“两弹一星”工程管理的“工程两总系统”，2004年国务院批准立项的绕月探测工程(嫦娥工程)则对该模式进行改进，设立了工程总指挥、总设计师和月球应用科学首席科学家，又设立五个分系统，各系统又分别配备总指挥和总设计师，人员由国防科工委任命[6]。

根据《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》，我国实施了16个国家科技重大专项(含3个军口保密专项)。随着科技体制的改革，我国科技体系也逐渐从科技规划为主导的体系，过渡到基本科技计划与科技重大专项相结合的结构体系[7]。

1.2 学术界大科学工程管理模式研究概述

近些年来，我国在建设创新型国家的目标指引下，陆续创造性地完成了很多大科学工程。大科学工程的组织建设能力标志着一个国家核心的、原始的创新能力，是国家综合实力、科技和经济竞争力的重要体现[8]，因此学术界以往对大科学工程的组织管理多有讨论：美国阿奇博尔德从知识层面探讨了高科技项目的管理[9]。招富刚将国家重大科技专项的组织管理模式分为闭环控制模式、业主制管理模式和全生命周期项目管理模式三种[10]。董佳敏等将国内外大科学工程的管理模式分成集散联合项目制、官产学研联合研究制、“行政+技术举国制”和“工程两总系统”下柔性项目制这四种模式[3]，不过却将863计划等重大科技任务与大科学工程混为一谈，且对后两种体制的区别阐释不清。郭磊等研究了973计划、863计划、国家科技支撑计划和国家科技重大专项的组织管理体系的区别和联系[11]。于军等研究了学习型组织、虚拟团队和利用新型流程导向的多项目管理及其在高科技项目中的实用性[12]。邢超等对大科学工程ITER项目的管理理念和实施借鉴进行了研究[13]。中国科学院重大科学装置发展战略研讨小组讨论了大科学工程的发展建议[14]，罗小安等探究了大科学工程的风险管理问题[15]。邢淑英则系统研究了中国科学院“六五”到“八五”期间的大科学工程建设的进展和“九五”期间的安排，以及大科学工程管理中的关键环节[16]。聂继凯等认为，政府在大科学工程的立项、准备、建设和完成四个阶段上分别扮演着决策者、启动者、协调者和评估者四个核心角色[17]。不过，围绕典型性大科学工程详实深入的案例研究及其管理模式分析尚不多见。

1.3 本文研究问题的提出

“墨子号”量子科学实验卫星于2016年8月16日1时40分在酒泉发射升空，这标志着我国空间科学研究又迈出重要一步[18]。通过实施这一工程，我国在量子信息领域实现了全球领跑，有人甚至将“墨子号”首席科学家潘建伟称为“中国离诺奖最近的人”。“墨子号”的发展历程及管理模式对我国大科学工程的管理具有典型示范意义，目前亟待对这类“领跑”型的大科学工程开展深入研究。本文将以科技史为研究视角，理清“墨子号”量子卫星的发展历程，在此基础上提炼其组织管理模式，分析问题并给出政策建议。

2 “墨子号”量子卫星大科学工程的发展历史

国际上大科学工程往往起源于战略规划，从概念研究和预先研究起步，发展到工程设计、研制、建造和运行，结束于科学产出。量子卫星工程基本遵循这一链条。

2.1 酝酿科学目标阶段：海归科学家提出星地量子通信概念(2001—2005年)

20世纪90年代，美国、欧盟、日本纷纷把量子通信作为21世纪的战略项目，这一时期郭光灿院士、张永德教授等老一辈科学家已致力于用量子信息技术确保信息安全[19]。改革开放后，我国一大批学子赴欧美科技发达国家学习和交流。1997年，正攻读博士的潘建伟与其奥地利导师安东·塞林格(Anton Zeilinger)共同在国际顶级科学期刊《自然》(Nature)杂志上发表论文，宣布在实验中实现了量子态隐形传输，潘建伟为第二作者，《Science》杂志将其列为年度全球十大科技进展。1999年，潘建伟博士毕业准备回国工作，却发现国内习惯了跟踪国外科学，在国内尚一片空白的量子科学研究甚至被认为是伪科学。不料他们那篇关于“量子态隐形传输”的论文被 《Nature》杂志选为“百年物理学21篇经典论文”。随后，潘建伟申请的科研项目在国内获得批准。

地面量子通信和星地量子通信是实现远距离量子通信的两条技术路线，前者将中继器建在地上，而后者把卫星当中继器，量子卫星相对于地面的位置时刻变化[20]。20世纪末，奥地利等欧美国家率先开展了地面量子通信，我国只能做跟跑者。但潘建伟很早就意识到地面短距离量子卫星通信有其固有的局限性，要实现量子通信技术的重大突破，突破量子通信实用化的壁垒，并带动量子物理研究的重大突破，必须发射量子卫星和开展星地量子通信。

2001年潘建伟回国，他创造性地提出在太空中进行量子密钥分发的科学设想。在中国科学院基础科学局、国家自然科学基金委的资助下，他在中国科技大学组建起量子物理与量子信息实验室。当时他们向中国科学院基础局申请了200万元经费，对方却果断拨款400万元。经中国科学院领导牵线，潘建伟与中国科学院技术物理研究所的王建宇开始了十多年的合作。

2003年，潘建伟明确提出了星地量子通信概念。2005年，潘建伟和团队成员率先在全球范围内实现了13公里自由空间量子通信，验证了星地量子通信的可行性。

2.2 工程预研阶段：中国科学院支持开展量子通信地面攻关(2006—2011年)

在中国科学院物理所于渌院士、南京大学闵乃本院士等建议下，“量子调控”2006年被列入国家重大科学研究计划，量子通信业得到了国家十一五、十二五计划和863计划的支持。

星地量子通信的地面攻关于2008年列入中国科学院知识创新工程重大项目，由中国科学院计财局、基础局和高技术局三家联合出资7500万元。大科学工程的预研是对工程建设的初步“演习”，是要对工程建设中攻克所有相关的关键技术与重要设备进行加工,目标是最大程度地降低工程风险[21]。与上海光源等通用性的、在地面上运行的大科学工程相比，量子卫星工程作为专用性很强、在空间运行的科学装置，科学目标非常明确，设计完之后不可轻易更改，因此工程难度也更大、风险更高。

2008—2011年，在首席科学家潘建伟与项目总工程师王建宇的指导下，中国科技大学，中国科学院的上海技术物理研究所、光电研究所、上海小卫星工程中心与上海光机所联合开展量子卫星地面攻关，很好地完成了原理样机在内的工程预研。

2.3 工程攻坚阶段：中国科学院空间科学先导专项立项和研制(2011—2015年)

当奥地利等国就量子卫星项目还在不断讨论的时候，中国却充分发挥社会主义集中力量办大事的优势，果断决策。2011年，量子科学实验卫星完成立项，被列入中国科学院空间科学先导专项首批科学实验卫星之一。潘建伟给这第一颗量子卫星取名“墨子号”，是因为“过去我们的科研跟跑的年数太久了，很多人甚至认为好的东西都要跟在欧美后面才合理，这种感受很不好[22]。”

在为 “墨子号”制定科学目标时，起初科学家团队只提出了空间量子通信实用化验证这一实用目标，要“借助平台，进行星地高速量子密钥分发实验，并在此基础上进行广域量子密钥网络实验，以期在空间量子通信实用化方面取得重大突破。”后来扩展到更偏向量子物理维度的科学实验研究，要利用量子卫星平台所提供的在地面上难以配备的长距离、大尺度的科学实验条件[23]，“在空间尺度进行量子纠缠分发和量子隐形传态实验，开展空间尺度量子力学完备性检验”等[24]。

在 “2011计划”的支持下，2012年，中国科学技术大学、南京大学、中国科学院上海技术物理研究所、中国科学院半导体研究所、国防科学技术大学联合创建“量子信息与量子科技前沿协同创新中心[25]”。

“墨子号”量子卫星大科学工程是不同参与者有序分工、协同创新的过程。中国科学技术大学负责提出科学目标，地面系统建设并参与卫星载荷研制，完成科学实验。中国科技大学和中国科学院上海技术物理研究所负责共同验证“墨子号”的可行性，中国科学院上海技术物理所也是卫星载荷研制的总体单位。中国科学院微小卫星创新研究院负责研制卫星平台，并负责保障卫星运行。中国科学院三大天文台(国家天文台、紫金山天文台和新疆天文台)负责提供天文观测支持，并保障地面系统运行。中国科学院光电技术研究所负责地面接收望远镜的研制，并保障其正常运行。中国科学院上海光机所负责研制了部分激光器，并利用这个平台搭载了高速激光通信试验设备。中国航天科技第八研究院研制生产了一发长征二号丁运载火箭，并负责将卫星发射至预定轨道[26]。

在量子卫星工程的研制中科学载荷系统是核心环节，具有很强的探索性和开创性。量子密钥通信机、量子实验控制与处理机、量子纠缠发射机，以及量子纠缠源这四个有效载荷是量子卫星工程研制的核心。同时，瞄准两个地面站的高精度星地光路对准、星载量子纠缠源、星地偏振态保持与基矢校正等工程级关键技术等，以及卫星两年的设计寿命，都是世界级难题。卫星平台复合姿态控制技术、天地链路的单光子接收也都难度极大。经过潘建伟的科学家团队与王建宇为主的工程研制团队通力配合，在中国科学院国家空间科学中心量子卫星工程总体的管理下，才突破了上述一系列世界级技术难题，实现了杰出的技术成就。

中国科学技术大学潘建伟、彭承志等与中国科学院上海技术物理所王建宇、光电技术研究所黄永梅等组成联合团队,于2008—2011年在青海湖成功实现了百公里量级的自由空间量子态隐形传输和双向纠缠分发，在国际上首次成功实现了星地量子密钥分发的全方位地面验证[27]。

2.4 全球领先阶段：量子卫星发射和持续高水平的科研产出

2014年12月，量子卫星完成卫星初样研制。2015年2月26日，《Nature》以封面标题的形式发表了潘建伟、陆朝阳等人的论文《单个光子的多个自由度的量子隐形传态》。2016年6月，中国第一颗量子卫星顺利出厂。2016年6月16日，中国将世界上首颗量子科学实验卫星“墨子号”成功发射升空，实现星地之间密钥分发。发射成功后，德国、法国、加拿大、巴基斯坦等国的科研人员纷纷到中国取经。

实现科学目标是大科学工程的最终目的。量子卫星发射升空后，中国科学家团队在科学产出上捷报频传。国际学术期刊 《Science》刊载了2017年6月16日“墨子号”科学团队实现公里级星地双向量子纠缠分发和量子力学非定域性检验[28]。《Science》审稿人认为它是“兼具潜在实际应用和基础科研重要性的重大技术突破”“毫无疑问将在学术界和广大社会公众中产生非常巨大的影响”。2017年8月10日,中国科学家利用“墨子号”在国际上首次成功实现了空间量子物理研究的另外两项重大突破——从卫星到地面的量子密钥分发和从地面到卫星的量子隐形传态，其研究成果发表在 《Nature》上。至此，“墨子号”提前一年完成了全部既定科学目标。这些世界纪录为量子网络和量子通信实验研究奠定了基础[29]，标志着我国量子通信一举跨越到领跑阶段。

2018年1月，中国量子卫星协同创新团队与奥地利科学院塞林格研究组合作。他们通过“墨子号”量子卫星，在中国和奥地利之间首次实现了距离长达7600公里的洲际量子密钥分发，并利用共享密钥实现了加密数据传输和视频通信。该成果标志着“墨子号”已具备实现洲际量子保密通信的能力[30]。

3 “墨子号”量子卫星大科学工程的管理特征

量子卫星工程作为国家系统支持下的大科学工程，有明确的目标导向、良好的顶层设计和制度保证，并独具特色。

3.1 工程实施期间运行“首席科学家+工程两总”的管理模式

以往美国航空航天局(NASA)的科研体制中，首席科学家不仅负责科学问题的攻关，还全面负责工程技术问题。中国科学院国家空间科学中心于1997年提出的“地球空间双星探测计划”(又称为“双星计划”)是中国和欧洲合作的第一个科学探测卫星项目[31]。 “双星计划”沿袭了美国NASA首席科学家制，除了负责科学研究活动外，首席科学家刘振兴院士还对该项计划的所有工程技术活动负责。

在继承中国 “两弹一星”工程的组织模式和借鉴西方首席专家制的基础上，中国空间领域的大科学工程创造性地发展出“首席科学家+工程两总”制[32]，量子卫星也采用了这样的管理结构(见图1)，其中的 “工程两总”是指工程总设计师系统和工程总指挥。

在探月工程中，中国特色的“首席科学家+工程两总”管理模式已颇具雏形。但量子卫星工程对这一模式有所改进和发展，首席科学家潘建伟被赋予了“一票否决权”，拥有更高的权限和地位。正如习近平同志所言的要“强化自主创新成果的源头供给[33]”，科学家团队的原创性思想是量子卫星工程的灵魂。王建宇担任量子科学实验卫星工程常务副总设计师、卫星系统总指挥，提出了量子科学实验卫星的总体技术方案，负责卫星载荷、天地一体化系统的设计，指导建立了天地一体量子通信科学实验系统，并负责处理工程日程事务。中国航天科技集团公司第八研究院徐博明担任量子卫星工程总师，中国科学院微小卫星创新研究院、上海微小卫星工程研究中心朱振才担任量子科学实验卫星系统总师，对于该工程顺利完成发挥了很大作用。中国科学院国家空间科学中心抓总量子卫星工程。

3.2 分布式天地大系统为平台的协同创新

“墨子号”量子卫星工程除了研制一颗 “量子科学实验卫星”外，还需要建设好由卫星系统、火箭系统、测控系统、发射场系统、地面接收系统以及科学应用系统这六大系统组成的天地大系统。每一分系统由项目不同参与者通过柔性项目制参与，进行系统式创新。

科学应用系统正是量子卫星工程区别于一般大科学工程的独特之处，毕竟大科学工程是基于科学又为了科学的工程[34]。该系统负责科学产出和发布科学成果，由4个量子通信地面站和1个空间量子隐形传态实验站构成[35]。

每个子系统按照项目集群的方式，兼顾学科性质去部署科研任务。每个子系统亦设有“工程两总”，分别负责项目设计与项目管理。在“工程两总”领导下的技术活动采用计划控制下的多项目管理[36]。在科学目标导引下，项目组通过领导层的快速决策和对多兵团的精诚管理，降低科技创新的成本与风险，有效挖掘、整合和利用不同分系统的创新资源，实现系统协同创新[37]。

3.3 首席科学家权威下参与者有效融合的管理机制

工程共同体概念近年在国内学术界受到普遍关注，学者们认为，区别于结构同质的科学共同体和相对同质的技术共同体而言，工程活动共同体是由工程师、工人、投资者、管理者和受众等利益相关者构成的异质共同体[38]。张秀华曾研究了工程活动共同体讲时效的协同主义等维系机制[39]。不过，以往研究相对忽略了大科学工程这类特殊的工程。对此，本文提出大科学工程共同体的概念。大科学工程集科学研究、技术开发和工程建设三者于一身，大科学工程共同体主要由工程管理者、首席科学家率领的科学家团队、承担不同分系统任务与具体项目的工程师团队构成，这些不同行动者与利益相关者长期合作、有效融合，共同完成大科学工程。

面向国家量子通信的重大战略需求是“墨子号”工程发展的基本动力，而工程的顺利完成也关乎科学家和工程师的切身利益，如职称晋升、社会认同和个人声誉等利益保障。工程实施中科学家、工程师与管理者的彼此信任与有效沟通是维系工程的重要微观机制。科学家总有新创意，工程师却追求稳定和低风险。王建宇曾说，“对于做卫星工程的人来说，没有99%，必须做到万无一失[40]。”

对于工程师团队的重要作用，潘建伟有清醒的认识，他曾指出“量子卫星的难点就在于工程技术，因为进入量子尺度后，许多符合宏观物理学原理的经典器件都遇到了麻烦[41]。”此外，科学家团队与工程师团队形成了有效的沟通制度。在早期阶段，为帮助工程技术人员理解量子卫星的科学目标及量子通信原理，科学家们做了十几场学术报告。为了帮助工程研制人员了解在轨科学实验流程，工程总体组和科学应用系统的人员一同编制了《量子科学实验卫星工程天地一体化实验流程分析报告》。“墨子号”常务副总设计师王建宇还担任中国科学院上海分院副院长这一职务，虽然行政事务繁忙，做科学载荷出身的他经常在周末扎进实验室，了解量子卫星工程技术的内在机理。科学家们也仔细了解工程师的设计思维和技术难度，听取工程师的建议。正因如此，“墨子号”实现了高效的创新。当然，首席科学家的学术权威、社会威望，以及工程总设计师的组织领导才能和个人特质也是大科学工程得以高效运转的重要因素。

此外， “墨子号”涉及大量核心技术和科学机理研究，工程风险较高，大科学工程共同体内不同参与者之间的通力合作则有利于及时、准确地识别和化解风险。“墨子号”量子卫星原计划在2016年7月择机发射。但在发射前却发现激光器能量快速下降，如盲目发射，“墨子号”可能变成一个“瞎子”[42]。对于是否延期发射，共同体内的科学家团队与工程师团队存在两种不同意见。最终双方达成一致，决定先解决问题，推迟一个月发射。之后，大家加班加点，为解决问题各显身手，以确保科学目标的实现[23]。问题很快解决，最终“墨子号”于同年8月中旬升空。

3.4 积极开展国际交流与合作

因量子信息研究集多学科于一体，必须有不同学科背景的人才方能取得科学突破。潘建伟一开始就有计划地派学生到欧美先进机构学习不同的方向，这些学生回国后在学科上互补，为量子通信的基础科研打下了良好基础。而且，量子科学实验卫星在保障我国科学发现优先权的基础上，较早地实现了向世界开放。潘建伟与他在奥地利的老师塞林格教授团队在“墨子号”上有很好的合作。今后，我国量子通信的国际合作将拓展到德国、意大利、加拿大等国。

4 “墨子号”量子卫星大科学工程管理的问题及建议

4.1 “墨子号”折射出的大科学工程管理的普遍性问题

量子卫星作为我国在国际上“领跑”型的大科学工程，其工程管理过程中暴露出的一些问题在我国大科学工程中具有一定的代表性：

(1)20世纪下半叶，不管政治、经济和社会因素如何变化，我国空间技术始终得到党和政府的最大支持，得以迅速发展[43]，但国家对空间科学的重视较弱。美国航空航天局一般是先制定好较完备的空间科学规划，再立项研究。而直到2016年“墨子号”量子卫星发射那一年，我国才由中国科学院发布了述及量子卫星的《2016—2030年空间科学规划研究报告》[44]。因缺乏长期规划，科研经费来源一直是科学家们担心的话题。

实践十号返回式卫星、量子卫星、暗物质粒子探测卫星和硬X射线调制望远镜卫星等科学实验卫星取得成功后，国家在“十三五”规划、“十四五”规划中继续部署了对中国科学院科学实验卫星的支持。2016年“量子调控与量子信息”成为国家重点研发计划优先启动重点专项，2017年5月国家自然科学基金委与中国科学院共同出资设立了空间科学卫星科学研究联合基金[45]，不过上述科研资助渠道偏向基础研究，却未述及今后新型量子卫星的研发。

(2)耗资巨大、显示度高的航天高科技工程往往万众瞩目。我国公众和媒体对航天工程有着很高的期望，甚至要求“只可成功不可失败”，但航天科技的发展必定是高风险的、破坏性创新的过程。因此，管理者、科学家和工程师们往往内心长期紧绷一根弦，这种状态不利于科研的长期发展。

(3)很多科研单位都招聘一定的工程技术人员，与从事基础研究的人员相比，工程技术人员的职称晋升和发展空间相对受限。在考核时与科学家“一视同仁”，只看文章和专利，而忽视了工程技术人员在型号任务中的贡献，这样就难免挫伤团队中工程技术人员的积极性。

4.2 改进大科学工程管理的几点建议

现在欧美等国相继启动了量子专项计划，为了保持我国在量子通信领域的国际领先地位，尝试提出以下政策建议：

一是顶层设计要考虑长期支持重要方向。对于量子卫星工程这类科学目标明确、公众参与度高、科研基础雄厚、能长远推动国计民生的项目，国家需要有选择性地制定发展规划和长期支持。为了保持我国在量子通信领域的领先地位，有必要继续开展量子通信工程技术研究，相关研究需要得到国家科技重大专项的后续支持。

二是完善针对工程技术人才的科技评价。工程技术人员和科学家都是大科学工程中创新活动的主体，要激发工程技术的潜能，需要制定科学合理的评价体系。中国科学院上海技术物理研究所针对偏向工程和偏向理论基础的科研人员专门制定了不同的评价方法。对于工程师的职称评定主要看完成了哪些工程项目，是否牵头突破了工程技术和研发出高科技产品。不过工程技术人员因缺少论文和专利，在申请国家科研项目时依旧没有优势，上升空间狭窄。未来，还需要为工程技术人员的职业发展和资源获得提供更多机会。

三是培育包容自励的创新环境和推进科学传播。科学研究倡导学术自由探索，社会公众和媒体环境应对大科学工程的风险有一定的准备，因此应努力创建宽松、和谐、向上的科研氛围，推动科研人员求真务实、大胆创新，产生更多原创性科学思想。此外，由于科学传播工作不足，有些人混淆了量子通信与量子卫星上开展的量子密钥分发实验。而量子纠缠本身的学术争议是正常现象。也正因存在争议，量子通信的科研才更有意义。做好科学传播，可增进公众对量子卫星这类大科学工程的理解和支持。

综上所述，目前，我国正致力于建设创新型国家，科技发展正努力从“跟踪”到“并行”再到“领跑”。我国地面量子通信遵循的是后来者的“赶超”路线，2017年京沪干线的开通标志着我国在该领域达到了国际先进水平，而“墨子号”量子卫星却以潘建伟等海归科学家的原创性思想为源头，在政府的果断决策和可靠的资源保障下，依托科学高效的管理模式，2016年便在世界上首次实现了星地通信，凭借“弯道超车”达到全球领先，大大促进了我国量子通信的实用化和量子物理研究的发展。这些对我国大科学工程的组织管理和中国式科技创新多有借鉴意义。