張志會,馬連軼
(1.中國科學院自然科學史研究所,北京 100190;2.北京航天長峰科技工業集團有限公司,北京 100854)
大科學工程是以科學探究為主要目標,又有賴于工程實現的工程,如中微子探測大科學工程、“墨子號”量子科學實驗衛星工程等。大科學工程往往規模大、資金投入多、能產生很大的經濟社會效益,對科技與社會的影響深遠,但也伴隨著較大的項目風險。大科學工程往往要經歷預研、設計、建設、運行和維護等一系列活動,需要科學高效的科研組織和工程管理才能順利實施。人類歷史上大科學工程的管理模式隨著時間發展而不斷演變。
20世紀 40 年代美國開展的“曼哈頓計劃”是人類歷史上第一個大科學工程,該計劃所采用的集散聯合項目制后被眾多大科學工程所采用,阿波羅登月計劃、人類基因組計劃等均采用了這種管理模式。二戰之后美國政府大幅度增加科研和工程發展經費,在歐美科研項目申請中最早出現了PI(Principal Investigator)制,意為學科帶頭人對所負責項目有主導權。這種科研組織管理模式后來在我國重大科技任務的管理中被廣泛采用。
20世紀70年代后,發達國家的重大科技任務中,如日本超大規模集成電路(VLSI)項目(1976年)、歐盟框架計劃(1984年起)、美國國家納米技術計劃(NNI)(2000年1月起)[1],以及韓國《至2025年的科技發展長期計劃》(又稱為韓國先導計劃,2000年起)[2]等,均采用了產學研聯合研究的組織管理形式[3]。
不同時期因時代背景不同,重大科技任務的組織模式也不盡相同。20世紀50—70年代,我國實施了“兩彈一星”工程,政治要素與技術、行政因素在該工程的組織實施中共同發揮重要影響[4]。該工程開創了項目“工程兩總”系統(總指揮、總設計師),即通常所說的技術指揮線和行政指揮線構成的“兩條指揮線”,其中總設計師專注技術實現,工程總指揮負責調度管理。“兩彈一星”是我國運用舉國體制成功開展重大科技任務的典范。
改革開放后,我國實施了“863計劃”和“973計劃”等重大高科技項目。這些項目繼承了“兩彈一星”工程的“舉國體制”,又借鑒了西方PI制,在全國范圍內以項目形式大規模實施,在各領域設立專家委員會,由專家進行決策管理;首席科學家對項目總負責。還有學者提出在863項目中應用虛擬合同研發組織等進行組織制度變革[5]。
20世紀90年代開始的載人航天工程繼承了“兩彈一星”工程管理的“工程兩總系統”,2004年國務院批準立項的繞月探測工程(嫦娥工程)則對該模式進行改進,設立了工程總指揮、總設計師和月球應用科學首席科學家,又設立五個分系統,各系統又分別配備總指揮和總設計師,人員由國防科工委任命[6]。
根據《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006—2020年)》,我國實施了16個國家科技重大專項(含3個軍口保密專項)。隨著科技體制的改革,我國科技體系也逐漸從科技規劃為主導的體系,過渡到基本科技計劃與科技重大專項相結合的結構體系[7]。
近些年來,我國在建設創新型國家的目標指引下,陸續創造性地完成了很多大科學工程。大科學工程的組織建設能力標志著一個國家核心的、原始的創新能力,是國家綜合實力、科技和經濟競爭力的重要體現[8],因此學術界以往對大科學工程的組織管理多有討論:美國阿奇博爾德從知識層面探討了高科技項目的管理[9]。招富剛將國家重大科技專項的組織管理模式分為閉環控制模式、業主制管理模式和全生命周期項目管理模式三種[10]。董佳敏等將國內外大科學工程的管理模式分成集散聯合項目制、官產學研聯合研究制、“行政+技術舉國制”和“工程兩總系統”下柔性項目制這四種模式[3],不過卻將863計劃等重大科技任務與大科學工程混為一談,且對后兩種體制的區別闡釋不清。郭磊等研究了973計劃、863計劃、國家科技支撐計劃和國家科技重大專項的組織管理體系的區別和聯系[11]。于軍等研究了學習型組織、虛擬團隊和利用新型流程導向的多項目管理及其在高科技項目中的實用性[12]。邢超等對大科學工程ITER項目的管理理念和實施借鑒進行了研究[13]。中國科學院重大科學裝置發展戰略研討小組討論了大科學工程的發展建議[14],羅小安等探究了大科學工程的風險管理問題[15]。邢淑英則系統研究了中國科學院“六五”到“八五”期間的大科學工程建設的進展和“九五”期間的安排,以及大科學工程管理中的關鍵環節[16]。聶繼凱等認為,政府在大科學工程的立項、準備、建設和完成四個階段上分別扮演著決策者、啟動者、協調者和評估者四個核心角色[17]。不過,圍繞典型性大科學工程詳實深入的案例研究及其管理模式分析尚不多見。
“墨子號”量子科學實驗衛星于2016年8月16日1時40分在酒泉發射升空,這標志著我國空間科學研究又邁出重要一步[18]。通過實施這一工程,我國在量子信息領域實現了全球領跑,有人甚至將“墨子號”首席科學家潘建偉稱為“中國離諾獎最近的人”?!澳犹枴钡陌l展歷程及管理模式對我國大科學工程的管理具有典型示范意義,目前亟待對這類“領跑”型的大科學工程開展深入研究。本文將以科技史為研究視角,理清“墨子號”量子衛星的發展歷程,在此基礎上提煉其組織管理模式,分析問題并給出政策建議。
國際上大科學工程往往起源于戰略規劃,從概念研究和預先研究起步,發展到工程設計、研制、建造和運行,結束于科學產出。量子衛星工程基本遵循這一鏈條。
20世紀90年代,美國、歐盟、日本紛紛把量子通信作為21世紀的戰略項目,這一時期郭光燦院士、張永德教授等老一輩科學家已致力于用量子信息技術確保信息安全[19]。改革開放后,我國一大批學子赴歐美科技發達國家學習和交流。1997年,正攻讀博士的潘建偉與其奧地利導師安東·塞林格(Anton Zeilinger)共同在國際頂級科學期刊《自然》(Nature)雜志上發表論文,宣布在實驗中實現了量子態隱形傳輸,潘建偉為第二作者,《Science》雜志將其列為年度全球十大科技進展。1999年,潘建偉博士畢業準備回國工作,卻發現國內習慣了跟蹤國外科學,在國內尚一片空白的量子科學研究甚至被認為是偽科學。不料他們那篇關于“量子態隱形傳輸”的論文被 《Nature》雜志選為“百年物理學21篇經典論文”。隨后,潘建偉申請的科研項目在國內獲得批準。
地面量子通信和星地量子通信是實現遠距離量子通信的兩條技術路線,前者將中繼器建在地上,而后者把衛星當中繼器,量子衛星相對于地面的位置時刻變化[20]。20世紀末,奧地利等歐美國家率先開展了地面量子通信,我國只能做跟跑者。但潘建偉很早就意識到地面短距離量子衛星通信有其固有的局限性,要實現量子通信技術的重大突破,突破量子通信實用化的壁壘,并帶動量子物理研究的重大突破,必須發射量子衛星和開展星地量子通信。
2001年潘建偉回國,他創造性地提出在太空中進行量子密鑰分發的科學設想。在中國科學院基礎科學局、國家自然科學基金委的資助下,他在中國科技大學組建起量子物理與量子信息實驗室。當時他們向中國科學院基礎局申請了200萬元經費,對方卻果斷撥款400萬元。經中國科學院領導牽線,潘建偉與中國科學院技術物理研究所的王建宇開始了十多年的合作。
2003年,潘建偉明確提出了星地量子通信概念。2005年,潘建偉和團隊成員率先在全球范圍內實現了13公里自由空間量子通信,驗證了星地量子通信的可行性。
在中國科學院物理所于淥院士、南京大學閔乃本院士等建議下,“量子調控”2006年被列入國家重大科學研究計劃,量子通信業得到了國家十一五、十二五計劃和863計劃的支持。
星地量子通信的地面攻關于2008年列入中國科學院知識創新工程重大項目,由中國科學院計財局、基礎局和高技術局三家聯合出資7500萬元。大科學工程的預研是對工程建設的初步“演習”,是要對工程建設中攻克所有相關的關鍵技術與重要設備進行加工,目標是最大程度地降低工程風險[21]。與上海光源等通用性的、在地面上運行的大科學工程相比,量子衛星工程作為專用性很強、在空間運行的科學裝置,科學目標非常明確,設計完之后不可輕易更改,因此工程難度也更大、風險更高。
2008—2011年,在首席科學家潘建偉與項目總工程師王建宇的指導下,中國科技大學,中國科學院的上海技術物理研究所、光電研究所、上海小衛星工程中心與上海光機所聯合開展量子衛星地面攻關,很好地完成了原理樣機在內的工程預研。
當奧地利等國就量子衛星項目還在不斷討論的時候,中國卻充分發揮社會主義集中力量辦大事的優勢,果斷決策。2011年,量子科學實驗衛星完成立項,被列入中國科學院空間科學先導專項首批科學實驗衛星之一。潘建偉給這第一顆量子衛星取名“墨子號”,是因為“過去我們的科研跟跑的年數太久了,很多人甚至認為好的東西都要跟在歐美后面才合理,這種感受很不好[22]。”
在為 “墨子號”制定科學目標時,起初科學家團隊只提出了空間量子通信實用化驗證這一實用目標,要“借助平臺,進行星地高速量子密鑰分發實驗,并在此基礎上進行廣域量子密鑰網絡實驗,以期在空間量子通信實用化方面取得重大突破?!焙髞頂U展到更偏向量子物理維度的科學實驗研究,要利用量子衛星平臺所提供的在地面上難以配備的長距離、大尺度的科學實驗條件[23],“在空間尺度進行量子糾纏分發和量子隱形傳態實驗,開展空間尺度量子力學完備性檢驗”等[24]。
在 “2011計劃”的支持下,2012年,中國科學技術大學、南京大學、中國科學院上海技術物理研究所、中國科學院半導體研究所、國防科學技術大學聯合創建“量子信息與量子科技前沿協同創新中心[25]”。
“墨子號”量子衛星大科學工程是不同參與者有序分工、協同創新的過程。中國科學技術大學負責提出科學目標,地面系統建設并參與衛星載荷研制,完成科學實驗。中國科技大學和中國科學院上海技術物理研究所負責共同驗證“墨子號”的可行性,中國科學院上海技術物理所也是衛星載荷研制的總體單位。中國科學院微小衛星創新研究院負責研制衛星平臺,并負責保障衛星運行。中國科學院三大天文臺(國家天文臺、紫金山天文臺和新疆天文臺)負責提供天文觀測支持,并保障地面系統運行。中國科學院光電技術研究所負責地面接收望遠鏡的研制,并保障其正常運行。中國科學院上海光機所負責研制了部分激光器,并利用這個平臺搭載了高速激光通信試驗設備。中國航天科技第八研究院研制生產了一發長征二號丁運載火箭,并負責將衛星發射至預定軌道[26]。
在量子衛星工程的研制中科學載荷系統是核心環節,具有很強的探索性和開創性。量子密鑰通信機、量子實驗控制與處理機、量子糾纏發射機,以及量子糾纏源這四個有效載荷是量子衛星工程研制的核心。同時,瞄準兩個地面站的高精度星地光路對準、星載量子糾纏源、星地偏振態保持與基矢校正等工程級關鍵技術等,以及衛星兩年的設計壽命,都是世界級難題。衛星平臺復合姿態控制技術、天地鏈路的單光子接收也都難度極大。經過潘建偉的科學家團隊與王建宇為主的工程研制團隊通力配合,在中國科學院國家空間科學中心量子衛星工程總體的管理下,才突破了上述一系列世界級技術難題,實現了杰出的技術成就。
中國科學技術大學潘建偉、彭承志等與中國科學院上海技術物理所王建宇、光電技術研究所黃永梅等組成聯合團隊,于2008—2011年在青海湖成功實現了百公里量級的自由空間量子態隱形傳輸和雙向糾纏分發,在國際上首次成功實現了星地量子密鑰分發的全方位地面驗證[27]。
2014年12月,量子衛星完成衛星初樣研制。2015年2月26日,《Nature》以封面標題的形式發表了潘建偉、陸朝陽等人的論文《單個光子的多個自由度的量子隱形傳態》。2016年6月,中國第一顆量子衛星順利出廠。2016年6月16日,中國將世界上首顆量子科學實驗衛星“墨子號”成功發射升空,實現星地之間密鑰分發。發射成功后,德國、法國、加拿大、巴基斯坦等國的科研人員紛紛到中國取經。
實現科學目標是大科學工程的最終目的。量子衛星發射升空后,中國科學家團隊在科學產出上捷報頻傳。國際學術期刊 《Science》刊載了2017年6月16日“墨子號”科學團隊實現公里級星地雙向量子糾纏分發和量子力學非定域性檢驗[28]?!禨cience》審稿人認為它是“兼具潛在實際應用和基礎科研重要性的重大技術突破”“毫無疑問將在學術界和廣大社會公眾中產生非常巨大的影響”。2017年8月10日,中國科學家利用“墨子號”在國際上首次成功實現了空間量子物理研究的另外兩項重大突破——從衛星到地面的量子密鑰分發和從地面到衛星的量子隱形傳態,其研究成果發表在 《Nature》上。至此,“墨子號”提前一年完成了全部既定科學目標。這些世界紀錄為量子網絡和量子通信實驗研究奠定了基礎[29],標志著我國量子通信一舉跨越到領跑階段。
2018年1月,中國量子衛星協同創新團隊與奧地利科學院塞林格研究組合作。他們通過“墨子號”量子衛星,在中國和奧地利之間首次實現了距離長達7600公里的洲際量子密鑰分發,并利用共享密鑰實現了加密數據傳輸和視頻通信。該成果標志著“墨子號”已具備實現洲際量子保密通信的能力[30]。
量子衛星工程作為國家系統支持下的大科學工程,有明確的目標導向、良好的頂層設計和制度保證,并獨具特色。
以往美國航空航天局(NASA)的科研體制中,首席科學家不僅負責科學問題的攻關,還全面負責工程技術問題。中國科學院國家空間科學中心于1997年提出的“地球空間雙星探測計劃”(又稱為“雙星計劃”)是中國和歐洲合作的第一個科學探測衛星項目[31]。 “雙星計劃”沿襲了美國NASA首席科學家制,除了負責科學研究活動外,首席科學家劉振興院士還對該項計劃的所有工程技術活動負責。
在繼承中國 “兩彈一星”工程的組織模式和借鑒西方首席專家制的基礎上,中國空間領域的大科學工程創造性地發展出“首席科學家+工程兩總”制[32],量子衛星也采用了這樣的管理結構(見圖1),其中的 “工程兩總”是指工程總設計師系統和工程總指揮。
在探月工程中,中國特色的“首席科學家+工程兩總”管理模式已頗具雛形。但量子衛星工程對這一模式有所改進和發展,首席科學家潘建偉被賦予了“一票否決權”,擁有更高的權限和地位。正如習近平同志所言的要“強化自主創新成果的源頭供給[33]”,科學家團隊的原創性思想是量子衛星工程的靈魂。王建宇擔任量子科學實驗衛星工程常務副總設計師、衛星系統總指揮,提出了量子科學實驗衛星的總體技術方案,負責衛星載荷、天地一體化系統的設計,指導建立了天地一體量子通信科學實驗系統,并負責處理工程日程事務。中國航天科技集團公司第八研究院徐博明擔任量子衛星工程總師,中國科學院微小衛星創新研究院、上海微小衛星工程研究中心朱振才擔任量子科學實驗衛星系統總師,對于該工程順利完成發揮了很大作用。中國科學院國家空間科學中心抓總量子衛星工程。
“墨子號”量子衛星工程除了研制一顆 “量子科學實驗衛星”外,還需要建設好由衛星系統、火箭系統、測控系統、發射場系統、地面接收系統以及科學應用系統這六大系統組成的天地大系統。每一分系統由項目不同參與者通過柔性項目制參與,進行系統式創新。
科學應用系統正是量子衛星工程區別于一般大科學工程的獨特之處,畢竟大科學工程是基于科學又為了科學的工程[34]。該系統負責科學產出和發布科學成果,由4個量子通信地面站和1個空間量子隱形傳態實驗站構成[35]。
每個子系統按照項目集群的方式,兼顧學科性質去部署科研任務。每個子系統亦設有“工程兩總”,分別負責項目設計與項目管理。在“工程兩總”領導下的技術活動采用計劃控制下的多項目管理[36]。在科學目標導引下,項目組通過領導層的快速決策和對多兵團的精誠管理,降低科技創新的成本與風險,有效挖掘、整合和利用不同分系統的創新資源,實現系統協同創新[37]。
工程共同體概念近年在國內學術界受到普遍關注,學者們認為,區別于結構同質的科學共同體和相對同質的技術共同體而言,工程活動共同體是由工程師、工人、投資者、管理者和受眾等利益相關者構成的異質共同體[38]。張秀華曾研究了工程活動共同體講時效的協同主義等維系機制[39]。不過,以往研究相對忽略了大科學工程這類特殊的工程。對此,本文提出大科學工程共同體的概念。大科學工程集科學研究、技術開發和工程建設三者于一身,大科學工程共同體主要由工程管理者、首席科學家率領的科學家團隊、承擔不同分系統任務與具體項目的工程師團隊構成,這些不同行動者與利益相關者長期合作、有效融合,共同完成大科學工程。
面向國家量子通信的重大戰略需求是“墨子號”工程發展的基本動力,而工程的順利完成也關乎科學家和工程師的切身利益,如職稱晉升、社會認同和個人聲譽等利益保障。工程實施中科學家、工程師與管理者的彼此信任與有效溝通是維系工程的重要微觀機制。科學家總有新創意,工程師卻追求穩定和低風險。王建宇曾說,“對于做衛星工程的人來說,沒有99%,必須做到萬無一失[40]?!?/p>
對于工程師團隊的重要作用,潘建偉有清醒的認識,他曾指出“量子衛星的難點就在于工程技術,因為進入量子尺度后,許多符合宏觀物理學原理的經典器件都遇到了麻煩[41]?!贝送?,科學家團隊與工程師團隊形成了有效的溝通制度。在早期階段,為幫助工程技術人員理解量子衛星的科學目標及量子通信原理,科學家們做了十幾場學術報告。為了幫助工程研制人員了解在軌科學實驗流程,工程總體組和科學應用系統的人員一同編制了《量子科學實驗衛星工程天地一體化實驗流程分析報告》。“墨子號”常務副總設計師王建宇還擔任中國科學院上海分院副院長這一職務,雖然行政事務繁忙,做科學載荷出身的他經常在周末扎進實驗室,了解量子衛星工程技術的內在機理。科學家們也仔細了解工程師的設計思維和技術難度,聽取工程師的建議。正因如此,“墨子號”實現了高效的創新。當然,首席科學家的學術權威、社會威望,以及工程總設計師的組織領導才能和個人特質也是大科學工程得以高效運轉的重要因素。
此外, “墨子號”涉及大量核心技術和科學機理研究,工程風險較高,大科學工程共同體內不同參與者之間的通力合作則有利于及時、準確地識別和化解風險?!澳犹枴绷孔有l星原計劃在2016年7月擇機發射。但在發射前卻發現激光器能量快速下降,如盲目發射,“墨子號”可能變成一個“瞎子”[42]。對于是否延期發射,共同體內的科學家團隊與工程師團隊存在兩種不同意見。最終雙方達成一致,決定先解決問題,推遲一個月發射。之后,大家加班加點,為解決問題各顯身手,以確??茖W目標的實現[23]。問題很快解決,最終“墨子號”于同年8月中旬升空。
因量子信息研究集多學科于一體,必須有不同學科背景的人才方能取得科學突破。潘建偉一開始就有計劃地派學生到歐美先進機構學習不同的方向,這些學生回國后在學科上互補,為量子通信的基礎科研打下了良好基礎。而且,量子科學實驗衛星在保障我國科學發現優先權的基礎上,較早地實現了向世界開放。潘建偉與他在奧地利的老師塞林格教授團隊在“墨子號”上有很好的合作。今后,我國量子通信的國際合作將拓展到德國、意大利、加拿大等國。
量子衛星作為我國在國際上“領跑”型的大科學工程,其工程管理過程中暴露出的一些問題在我國大科學工程中具有一定的代表性:
(1)20世紀下半葉,不管政治、經濟和社會因素如何變化,我國空間技術始終得到黨和政府的最大支持,得以迅速發展[43],但國家對空間科學的重視較弱。美國航空航天局一般是先制定好較完備的空間科學規劃,再立項研究。而直到2016年“墨子號”量子衛星發射那一年,我國才由中國科學院發布了述及量子衛星的《2016—2030年空間科學規劃研究報告》[44]。因缺乏長期規劃,科研經費來源一直是科學家們擔心的話題。
實踐十號返回式衛星、量子衛星、暗物質粒子探測衛星和硬X射線調制望遠鏡衛星等科學實驗衛星取得成功后,國家在“十三五”規劃、“十四五”規劃中繼續部署了對中國科學院科學實驗衛星的支持。2016年“量子調控與量子信息”成為國家重點研發計劃優先啟動重點專項,2017年5月國家自然科學基金委與中國科學院共同出資設立了空間科學衛星科學研究聯合基金[45],不過上述科研資助渠道偏向基礎研究,卻未述及今后新型量子衛星的研發。
(2)耗資巨大、顯示度高的航天高科技工程往往萬眾矚目。我國公眾和媒體對航天工程有著很高的期望,甚至要求“只可成功不可失敗”,但航天科技的發展必定是高風險的、破壞性創新的過程。因此,管理者、科學家和工程師們往往內心長期緊繃一根弦,這種狀態不利于科研的長期發展。
(3)很多科研單位都招聘一定的工程技術人員,與從事基礎研究的人員相比,工程技術人員的職稱晉升和發展空間相對受限。在考核時與科學家“一視同仁”,只看文章和專利,而忽視了工程技術人員在型號任務中的貢獻,這樣就難免挫傷團隊中工程技術人員的積極性。
現在歐美等國相繼啟動了量子專項計劃,為了保持我國在量子通信領域的國際領先地位,嘗試提出以下政策建議:
一是頂層設計要考慮長期支持重要方向。對于量子衛星工程這類科學目標明確、公眾參與度高、科研基礎雄厚、能長遠推動國計民生的項目,國家需要有選擇性地制定發展規劃和長期支持。為了保持我國在量子通信領域的領先地位,有必要繼續開展量子通信工程技術研究,相關研究需要得到國家科技重大專項的后續支持。
二是完善針對工程技術人才的科技評價。工程技術人員和科學家都是大科學工程中創新活動的主體,要激發工程技術的潛能,需要制定科學合理的評價體系。中國科學院上海技術物理研究所針對偏向工程和偏向理論基礎的科研人員專門制定了不同的評價方法。對于工程師的職稱評定主要看完成了哪些工程項目,是否牽頭突破了工程技術和研發出高科技產品。不過工程技術人員因缺少論文和專利,在申請國家科研項目時依舊沒有優勢,上升空間狹窄。未來,還需要為工程技術人員的職業發展和資源獲得提供更多機會。
三是培育包容自勵的創新環境和推進科學傳播??茖W研究倡導學術自由探索,社會公眾和媒體環境應對大科學工程的風險有一定的準備,因此應努力創建寬松、和諧、向上的科研氛圍,推動科研人員求真務實、大膽創新,產生更多原創性科學思想。此外,由于科學傳播工作不足,有些人混淆了量子通信與量子衛星上開展的量子密鑰分發實驗。而量子糾纏本身的學術爭議是正?,F象。也正因存在爭議,量子通信的科研才更有意義。做好科學傳播,可增進公眾對量子衛星這類大科學工程的理解和支持。
綜上所述,目前,我國正致力于建設創新型國家,科技發展正努力從“跟蹤”到“并行”再到“領跑”。我國地面量子通信遵循的是后來者的“趕超”路線,2017年京滬干線的開通標志著我國在該領域達到了國際先進水平,而“墨子號”量子衛星卻以潘建偉等海歸科學家的原創性思想為源頭,在政府的果斷決策和可靠的資源保障下,依托科學高效的管理模式,2016年便在世界上首次實現了星地通信,憑借“彎道超車”達到全球領先,大大促進了我國量子通信的實用化和量子物理研究的發展。這些對我國大科學工程的組織管理和中國式科技創新多有借鑒意義。