欧洲“量子十年”与太空领域.pdf

国际书 摘Book Summary欧洲“量子十年”与太空领域欧洲乃至世界正处于“量子十年”之中：在这 个时期，在最微小尺度上表现出来的物质的特殊性 质正在从单纯的科学好奇心转变为实用技术和产品 的基础。通信、导航、计算和环境传感领域取得了 重大飞跃。太空领域也是如此：欧空局目前正在向木星发 射一个量子探测器，开发基于量子技术的通信，并 计划将量子时钟飞往国际空间站，作为其量子技术 跨领域计划的一部分。量子传感器前往木星MAGSCA传感器是ESA Juice航天器磁力计的一部 分，该航天器于4 月份被发射到太阳系最大的行 星。MAGSCA传感器依靠量子干涉现象来进行磁场强 度的绝对测量，为一对更大的传统“磁通门”提供 校准磁力计。MAGSCA由奥地利科学院与格拉茨科技 大学合作为欧空局建造，在太空调试期间表现良 好。与此同时，今年早些时候，基 于“量子纠缠”的硬件在欧空局抛物线“零重力”飞行中进行了测试，证明了其对重力变化的稳健性。欧空局的量子活动现在受到其新的量子技术跨 领域计划的监督，该计划协调整个机构内所有量子 技术的研发。欧空局未来的量子愿景“欧空局总干事Josef Aschbacher在2025年议 程中将量子技术定义为战略重点，也被视为为商业 成功和技术领先提供新途径的技术，我们正在实现 这一愿景。”欧空局光电系统工程师EricWille解释道。“在过去的四分之一个世纪里，欧空局一直在 以某种形式致力于量子技术的研宄，稳步提高整体 准备水平，并在此过程中取得了一些重大成功，包 括参与了当时的量子通信世界纪录。”“这种累积的努力帮助我们扩大了活动范围，并与量子研宄界建立了联系，最近一次是通过欧洲 航天局9月份举行的最新的量子技术会。总而言 之：欧空局确实对这一领域的业务持开放态度，如 果您有研宄想法，我们希望听到您的声音！”Juice飞行器上基于量子的MAGSCA磁力计 抛物线飞行期间的量子硬件76No 12 2 23微小的奇怪科学量子物理学通常被称为上个世纪最成功的理 论，它支撑着硅芯片、激光器和医学成像仪器等日 常用品的工作原理。这个理论的核心是一个看似违 反直觉的事实，即在极小的尺度上，原子、光子和 其他粒子开始表现得像波。这反过来又导致了诸如“量子叠加”，即一个 粒子可以同时存在于多种可能的状态，和“量子纠 缠”，即多个粒子即使相距很远，仍然具有相同的 物理特性。量子技术着手利用这种奇特的行为作为更强大 的计算、超精确定时、信息安全共享和高灵敏度传 感器的基础，并应对量子态容易扰动和容易崩溃等 挑战。太空量子通信量子通信最成熟的应用之一是基于“量子密钥 分发”的安全通信。当前的安全数据共享基于发送 者和接收者之间“加密密钥”的共享。如今，此类 密钥通常使用数学算法或由人类信使通过经典通信 渠道共享。量子密钥作为替代方案得以开发了，其 中密钥交换的安全性是基于光粒子的量子物理特 性。与量子信号更容易受到干扰的光纤相比，在卫 星上使用激光链路可以桥接更大的距离。ESA正在与欧盟委员会合作，开发针对政府应 用的量子密钥分发，同时还通过行业合作伙伴关系 的 支 持（例 如 与 卫 星 制 造 商 S E S 合 作 开 发 Eagle 1任 务 等），开 发 先 前 通 过ESA的 Scy Light计划培育出来的技术。超过四分之一个世纪以来，欧空局的光学地面 站一直在支持特内里费岛泰德火山山坡上的光学和 量子通信实验。测试穿过岛屿大气层或直至轨道卫 星的量子链路已经提供了丰富的信息。这些通信实验中收获的经验将指导欧洲量子通 信基础设施的开发和部署，该基础设施是欧盟安全 连接计划的一部分。量子传感量子态一一例如使用激光系统减慢其运动的“冷原子”一一通常被证明对其周围环境极其敏 感，因此可以用于重力或加速度测绘，以及跟踪包 括海洋和冰在内的地球特征流动。这种精确的测量也将是气候建模的一个进步，能加深对陆地水循环、冰盖和冰川的质量平衡以及 海平面变化等现象的科学理解。量子时钟和频率标准类似的激光减速冷原子系统可以作为定位、导 航和授时高精度时钟的基础，比当今卫星导航系统 使用的原子钟有数量级的改进。它们对于基础物理 实验也很重要。欧空局在太空有效载荷中的原子钟组将于 2025年被带上国际空间站，成为有史以来在轨道飞 行的最精确的时钟。量子计算量子计算机不太可能在不久的将来飞上太空，但是，通过利用叠加，它们有望大大提高特定搜索 或优化问题的计算能力。这项技术可以应用于与太空相关的“难题”，例如优化高度复杂的巨型星座操作、火箭与大气相 互作用的高保真模拟，或者处理地球观测数据以更 有效地利用大量信息。精密工程量子存储器、量子成像、随机数生成和后量子 密码学等其他领域也是欧空局未来几年量子技术跨 领域计划中40多个项目的一部分。高质量和精密的工程是成功的基本要素，它需 要复杂的光学有效载荷来操纵原子或光子尺度的系 统。因此，欧空局现有的光学和光电子实验室也正 在荷兰ESTEC技术中心的一座新建筑中进行重新安 置和扩建，以扩大欧空局为研宄人员和工业界所提 供的支持范围。译者:一景，荷兰对地观测公司NEO Bv,遥感与地信咨询项目经理。译文:来自欧洲航天局官网2023年11月14日太空工程和技术专栏文章。仲国测绘 出于传递资讯的目的刊登此文，不代表本刊观点。77