幾十年來(lái)，“太空旅行”吸引了全球各地的人們，從想親自參觀太空到想知道宇宙有什么秘密，每個(gè)人都曾抱有各種各樣的想法要去一探究竟。近年來(lái)，太空探索正隨著很多民營(yíng)企業(yè)的發(fā)展而發(fā)展，例如SpaceX。雖然技術(shù)在進(jìn)步，太空探索行業(yè)的軌跡也在不斷變化，但該行業(yè)依然在尋求使用量子物理學(xué)來(lái)提高現(xiàn)有太空測(cè)量和研究水平。

量子太空通信

在2020年《連線》雜志上發(fā)表的一篇文章中提到，美國(guó)宇航局（NASA）與麻省理工學(xué)院的林肯實(shí)驗(yàn)室合作開(kāi)發(fā)了一種量子激光系統(tǒng)，用以幫助中繼來(lái)自國(guó)際空間站的信息。與常規(guī)激光器不同，該激光系統(tǒng)將使用糾纏光子法，保證提供的信息不會(huì)丟失。當(dāng)一個(gè)光子的量子態(tài)不完全獨(dú)立于另一個(gè)光子的量子態(tài)時(shí)，糾纏過(guò)程就會(huì)起作用，他們因此糾纏在一起。NASA希望利用糾纏光子來(lái)改善地對(duì)空通信。糾纏光子將通過(guò)LCRD發(fā)送（激光通信中繼演示），一顆定于2021年發(fā)射的衛(wèi)星。LCRD 將與另一顆衛(wèi)星連接以中繼這些糾纏光子。美國(guó)宇航局將這兩顆衛(wèi)星之間的量子鏈路稱為“馬可尼 2.0”，這是以發(fā)明無(wú)線電的著名科學(xué)家馬可尼的名字命名。

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而要改善國(guó)際空間站與地球之間通信的原因非常簡(jiǎn)單。兩個(gè)目的地之間的距離過(guò)長(zhǎng)，會(huì)使發(fā)送照片或視頻等信息變得困難，這將導(dǎo)致發(fā)送信息和接收信息之間存在時(shí)間延遲。量子技術(shù)（以量子物理學(xué)為原理的技術(shù)形式）以糾纏光子和衛(wèi)星的形式，可以使空間通信更容易、更快捷。這些通信方法將能更快、更有效地發(fā)送高清照片和視頻。反過(guò)來(lái)，這將能擴(kuò)大太空探索的范圍并改善太空旅行的通信條件，因?yàn)橛詈絾T可以更快地與地球上的專家進(jìn)行交流。?

量子太空測(cè)量

我們?cè)撊绾螠y(cè)量地球的形狀？對(duì)地球及其性質(zhì)（如重力）的研究被稱為大地測(cè)量學(xué)。測(cè)量地球的形狀是一項(xiàng)不小的壯舉，在方法上可以利用量子技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。2020年12 月，NASA提出以量子傳感器的形式使用量子技術(shù)，用以更好地研究地球。這些量子傳感器在是量子干涉測(cè)量的過(guò)程中產(chǎn)生，干涉測(cè)量法是一種可以從背景噪聲的干擾中提取數(shù)據(jù)的測(cè)量技術(shù)。雖然多種測(cè)量系統(tǒng)（例如錄音機(jī)）會(huì)對(duì)其產(chǎn)生干擾，但許多研究人員會(huì)研究這些干擾以掌握更多信息。對(duì)于量子干涉測(cè)量，研究人員正在研究量子態(tài)的干擾實(shí)驗(yàn)，開(kāi)發(fā)精確的量子傳感器用以濾除這種干擾。這樣可以在不會(huì)產(chǎn)生來(lái)自其他磁場(chǎng)或重力源的噪音下，更準(zhǔn)確地測(cè)量地球的重力和磁場(chǎng)。

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在談到利用量子技術(shù)改進(jìn)傳感器的重要性時(shí)，貝爾法斯特女王大學(xué)的Mauro Paternostro博士說(shuō)：“這將改變游戲規(guī)則，尤其是在傳感和測(cè)量方面。具有量子限制靈敏度的新型探測(cè)器的開(kāi)發(fā)以及用于測(cè)量、計(jì)量和傳感的量子增強(qiáng)策略將允許探索新的物理方向和機(jī)制，并使目前在地面上禁止或無(wú)法進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)成為可能。我們最終也將得到關(guān)于自然基礎(chǔ)設(shè)施的清晰藍(lán)圖。”?使用改進(jìn)的傳感器可以提供更多關(guān)于我們周?chē)行堑男畔?，反過(guò)來(lái)，這又可以為我們提供有關(guān)地球起源的重要答案，以及為什么其他行星上沒(méi)有出現(xiàn)生命。?

研究量子太空應(yīng)用的團(tuán)隊(duì)計(jì)劃

隨著量子物理學(xué)應(yīng)用于太空旅行和測(cè)量的普及程度不斷提高，對(duì)這一主題感興趣的科學(xué)團(tuán)隊(duì)數(shù)量也在增加。有一個(gè)小組是研究QTSPACE或太空中的量子技術(shù)，副主席 Paternostro 博士解釋了 QTSpace 的歷史：“QTSpace是COST的一項(xiàng)行動(dòng)。COST是一家歐洲資助組織，旨在促進(jìn)和支持解決研究和創(chuàng)新的網(wǎng)絡(luò)。它來(lái)源于Angelo Bassi（意大利的里雅斯特大學(xué)）、Hendrik Ulbricht（英國(guó)南安普頓大學(xué)）、Rainer Kaltenbaek（奧地利維也納大學(xué)和斯洛文尼亞盧布爾雅那大學(xué)）和我的倡議。我們都對(duì)量子技術(shù)的發(fā)展、量子理論基礎(chǔ)的研究感興趣，并在2015年發(fā)現(xiàn)了一條通往太空的康莊大道。然而，并沒(méi)有大規(guī)模的組織為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)共同奮斗，我們意識(shí)到只有通過(guò)跨國(guó)合作才能實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)雄心勃勃的目標(biāo)。所以，我們決定設(shè)立一項(xiàng)COST行動(dòng)來(lái)啟動(dòng)這個(gè)迫切的組織建設(shè)工作。因此，QTSSpace 誕生了?！?

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QTSpace提出的一個(gè)計(jì)劃是量子空間網(wǎng)絡(luò)，它將吸引歐洲所有對(duì)資助和研究這些量子技術(shù)應(yīng)用感興趣的利益相關(guān)者。像Quantum Space Network這樣的團(tuán)隊(duì)將匯集一些最杰出的人才，共同致力于推進(jìn)量子技術(shù)在太空旅行中的應(yīng)用，從而為量子研究提供更多資助。QTSpace的主席Bassi提到了該小組從事的其他活動(dòng)：“四年來(lái)，QTSpace 組織了20多個(gè)學(xué)術(shù)交流等形式的研討會(huì)，吸引了數(shù)百名科學(xué)家。其中兩項(xiàng)重要成果是2017年發(fā)布的《歐空局和國(guó)家航天機(jī)構(gòu)戰(zhàn)略報(bào)告》和 2019 年發(fā)布的《空間量子技術(shù)政策白皮書(shū)》，為空間量子技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。而利益相關(guān)者和政策制定者現(xiàn)在也使用它們來(lái)定義未來(lái)的行動(dòng)和資助計(jì)劃。”?這些政策文件直到今天仍在使用。?

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此外，Bassi 還是Quantum Technology Flagship的貢獻(xiàn)者，該組織由歐盟成立，專注于研究量子技術(shù)及其應(yīng)用。在2019年的QTF政策文件中，Bassi和Paternostro討論了將量子加密擴(kuò)展到太空與地球之間的通信等話題。在這篇論文中，Bassi 和 Paternostro 都表示，這種量子加密將成為“全球乃至量子互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵元素”。?

結(jié)語(yǔ)

量子技術(shù)在太空中的應(yīng)用可能會(huì)導(dǎo)致量子互聯(lián)網(wǎng)的潛在發(fā)展，也會(huì)加強(qiáng)兩者之間進(jìn)行加密和安全的通信。根據(jù)Paternostro的說(shuō)法：“人們已經(jīng)在談?wù)摿孔踊ヂ?lián)網(wǎng)，這只有利用空間的上行鏈路和下行鏈路才有可能實(shí)現(xiàn)。”?如果這真的發(fā)生了，時(shí)間不會(huì)很快，但這并不能阻止量子技術(shù)應(yīng)用于太空探索。隨著這項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)步，將助力我們深入探索宇宙和地球內(nèi)部的未知。

作者：肯納卡斯?fàn)柌?/p>

編譯：慕一

編輯：王珩

注：本文編譯自“The Quantum Daily”，文章中的信息或所表述的觀點(diǎn)意見(jiàn)，均不代表量子前哨同意或支持。