太空?那正是量子科技大显身手的地方!
太空旅行
几十年来,“太空旅行”吸引了全球各地的人们,从想亲自参观太空到想知道宇宙有什么秘密,每个人都曾抱有各种各样的想法要去一探究竟。近年来,太空探索正随着很多民营企业的发展而发展,例如SpaceX。虽然技术在进步,太空探索行业的轨迹也在不断变化,但该行业依然在寻求使用量子物理学来提高现有太空测量和研究水平。
量子太空通信
在2020年《连线》杂志上发表的一篇文章中提到,美国宇航局(NASA)与麻省理工学院的林肯实验室合作开发了一种量子激光系统,用以帮助中继来自国际空间站的信息。与常规激光器不同,该激光系统将使用纠缠光子法,保证提供的信息不会丢失。当一个光子的量子态不完全独立于另一个光子的量子态时,纠缠过程就会起作用,他们因此纠缠在一起。NASA希望利用纠缠光子来改善地对空通信。纠缠光子将通过LCRD发送(激光通信中继演示),一颗定于2021年发射的卫星。LCRD 将与另一颗卫星连接以中继这些纠缠光子。美国宇航局将这两颗卫星之间的量子链路称为“马可尼 2.0”,这是以发明无线电的著名科学家马可尼的名字命名。
而要改善国际空间站与地球之间通信的原因非常简单。两个目的地之间的距离过长,会使发送照片或视频等信息变得困难,这将导致发送信息和接收信息之间存在时间延迟。量子技术(以量子物理学为原理的技术形式)以纠缠光子和卫星的形式,可以使空间通信更容易、更快捷。这些通信方法将能更快、更有效地发送高清照片和视频。反过来,这将能扩大太空探索的范围并改善太空旅行的通信条件,因为宇航员可以更快地与地球上的专家进行交流。
量子太空测量
我们该如何测量地球的形状?对地球及其性质(如重力)的研究被称为大地测量学。测量地球的形状是一项不小的壮举,在方法上可以利用量子技术进行改进。2020年12 月,NASA提出以量子传感器的形式使用量子技术,用以更好地研究地球。这些量子传感器在是量子干涉测量的过程中产生,干涉测量法是一种可以从背景噪声的干扰中提取数据的测量技术。虽然多种测量系统(例如录音机)会对其产生干扰,但许多研究人员会研究这些干扰以掌握更多信息。对于量子干涉测量,研究人员正在研究量子态的干扰实验,开发精确的量子传感器用以滤除这种干扰。这样可以在不会产生来自其他磁场或重力源的噪音下,更准确地测量地球的重力和磁场。
在谈到利用量子技术改进传感器的重要性时,贝尔法斯特女王大学的Mauro Paternostro博士说:“这将改变游戏规则,尤其是在传感和测量方面。具有量子限制灵敏度的新型探测器的开发以及用于测量、计量和传感的量子增强策略将允许探索新的物理方向和机制,并使目前在地面上禁止或无法进行的实验成为可能。我们最终也将得到关于自然基础设施的清晰蓝图。” 使用改进的传感器可以提供更多关于我们周围行星的信息,反过来,这又可以为我们提供有关地球起源的重要答案,以及为什么其他行星上没有出现生命。
研究量子太空应用的团队计划
随着量子物理学应用于太空旅行和测量的普及程度不断提高,对这一主题感兴趣的科学团队数量也在增加。有一个小组是研究QTSPACE或太空中的量子技术,副主席 Paternostro 博士解释了 QTSpace 的历史:“QTSpace是COST的一项行动。COST是一家欧洲资助组织,旨在促进和支持解决研究和创新的网络。它来源于Angelo Bassi(意大利的里雅斯特大学)、Hendrik Ulbricht(英国南安普顿大学)、Rainer Kaltenbaek(奥地利维也纳大学和斯洛文尼亚卢布尔雅那大学)和我的倡议。我们都对量子技术的发展、量子理论基础的研究感兴趣,并在2015年发现了一条通往太空的康庄大道。然而,并没有大规模的组织为实现这一目标共同奋斗,我们意识到只有通过跨国合作才能实现这样一个雄心勃勃的目标。所以,我们决定设立一项COST行动来启动这个迫切的组织建设工作。因此,QTSSpace 诞生了。”
QTSpace提出的一个计划是量子空间网络,它将吸引欧洲所有对资助和研究这些量子技术应用感兴趣的利益相关者。像Quantum Space Network这样的团队将汇集一些最杰出的人才,共同致力于推进量子技术在太空旅行中的应用,从而为量子研究提供更多资助。QTSpace的主席Bassi提到了该小组从事的其他活动:“四年来,QTSpace 组织了20多个学术交流等形式的研讨会,吸引了数百名科学家。其中两项重要成果是2017年发布的《欧空局和国家航天机构战略报告》和 2019 年发布的《空间量子技术政策白皮书》,为空间量子技术的发展奠定了基础。而利益相关者和政策制定者现在也使用它们来定义未来的行动和资助计划。” 这些政策文件直到今天仍在使用。
此外,Bassi 还是Quantum Technology Flagship的贡献者,该组织由欧盟成立,专注于研究量子技术及其应用。在2019年的QTF政策文件中,Bassi和Paternostro讨论了将量子加密扩展到太空与地球之间的通信等话题。在这篇论文中,Bassi 和 Paternostro 都表示,这种量子加密将成为“全球乃至量子互联网的关键元素”。
结语
量子技术在太空中的应用可能会导致量子互联网的潜在发展,也会加强两者之间进行加密和安全的通信。根据Paternostro的说法:“人们已经在谈论量子互联网,这只有利用空间的上行链路和下行链路才有可能实现。” 如果这真的发生了,时间不会很快,但这并不能阻止量子技术应用于太空探索。随着这项技术的进步,将助力我们深入探索宇宙和地球内部的未知。
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