試試詢問周圍的朋友，科學(xué)研究的哪一個(gè)領(lǐng)域與我們的生活最息息相關(guān)，回答會是多種多樣的：醫(yī)學(xué)、生物技術(shù)、能源與環(huán)境……但鮮少有人提及空間科學(xué)。
所謂空間科學(xué)，是以航天器為主要平臺，研究發(fā)生在日地空間、行星際空間乃至整個(gè)宇宙空間的物理、天文、化學(xué)以及生命等自然現(xiàn)象及其規(guī)律的科學(xué)�？删褪沁@看起來有些遙不可及的研究領(lǐng)域，卻與人類社會的進(jìn)步以及生產(chǎn)生活密不可分。
自1957年以來，人類已經(jīng)發(fā)射了近8000個(gè)航天器。進(jìn)入新世紀(jì)之后，空間科技繼續(xù)引領(lǐng)人類社會發(fā)展，并不斷開辟新的前沿，呈現(xiàn)出新的趨勢。
一些長期困擾人類的重大科學(xué)問題，如宇宙大爆炸之后到星系誕生之前究竟發(fā)生了什么、神秘的黑洞及其周邊是什么樣子、地球之外是否有生命包括智慧生命等重大前沿科學(xué)問題，都成為未來空間探索的關(guān)注重點(diǎn)。其實(shí)，當(dāng)人類登陸月球，從地球這個(gè)搖籃向外邁出第一步開始，就在不斷擴(kuò)展和突破對宇宙空間的認(rèn)識。
除了豐富認(rèn)知，空間科學(xué)更無時(shí)無刻不聯(lián)系著我們衣、食、住、行的方方面面。
無處不在的衛(wèi)星通信、衛(wèi)星導(dǎo)航定位、衛(wèi)星遙感以及依靠衛(wèi)星對地球觀測的天氣預(yù)報(bào)和災(zāi)害預(yù)報(bào)，成為我們保障國家安全以及日常生活中必不可少的要素；而源于空間科技需求而發(fā)展起來的新技術(shù)，在為空間探索服務(wù)的同時(shí)，更是極大地改變著人們的生活。
而這其中最具代表性和說服力的，當(dāng)屬量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，及其帶來的可能顛覆人類現(xiàn)有通信、計(jì)算、測量方式的量子技術(shù)。
守護(hù)國家安全
伴隨著互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，信息安全早已成為人們關(guān)心的網(wǎng)絡(luò)問題首選。而2013年爆發(fā)的“棱鏡門”事件，更使這一問題發(fā)酵成為更高層次的國家安全隱患。
2013年6月，前美國中央情報(bào)局雇員斯諾登向媒體爆料，自2007 年起，美國情報(bào)機(jī)構(gòu)就開始與美國各大互聯(lián)網(wǎng)公司“合謀”，自由調(diào)取全球公民的各種隱私。
一石激起千層浪。在此后的時(shí)間里，一連串的新聞報(bào)道更加印證了公眾的擔(dān)心：全球的網(wǎng)絡(luò)、電子通訊正處在以美國政府為主導(dǎo)的監(jiān)控之下。
除卻美國已經(jīng)“暴跳如雷”的歐洲盟友，美國國家安全局在全球范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)攻擊行動已被證實(shí)超過6.1 萬項(xiàng)，法國、意大利、希臘、日本、墨西哥、韓國、印度和土耳其等38 個(gè)大使館都“難逃魔掌”。
隨著快速崛起，中國自然也成為了美國重點(diǎn)監(jiān)控的對象。
根據(jù)斯諾登提供的信息，美國政府正在對中國的移動網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商進(jìn)行黑客攻擊，以竊取數(shù)百萬條短信。作為國內(nèi)最重要的通訊方式之一，僅2012 年一年，中國人的短信交流就達(dá)到了近9000 億次。使用短信的人群既包括普通民眾，也包括政府官員；短信交流既用于日常生活，也用于工作溝通。這意味著，一旦涉及國家重要信息的短信被竊取，那么國家安全就有可能在這一條小小的短信中流失。
“倒霉”的不僅是移動通訊。根據(jù)外媒報(bào)道，美國國家安全局旗下一個(gè)名為定制入口行動辦公室（TAO）的部門，在過去近15 年中一直對中國境內(nèi)電腦和通訊系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)攻擊，借此獲取有關(guān)中國的有價(jià)值情報(bào)。
顯而易見，我國現(xiàn)有信息技術(shù)存在著難以預(yù)期的風(fēng)險(xiǎn)和通信安全隱患，無論是民用通信還是軍用通信，在信息加密的硬、軟件方面都可能受制于人。當(dāng)信息安全已然上升到國家戰(zhàn)略的高度，保障通信安全與通信保密也隨之成為政府高度關(guān)注的焦點(diǎn)，發(fā)展“自主可控”的信息技術(shù)和產(chǎn)品成為了當(dāng)務(wù)之急。
那么，究竟有沒有一種通信技術(shù)和手段是絕對可以信賴的？答案是肯定的。
微觀世界里，有共同來源的兩個(gè)微觀粒子之間存在著糾纏關(guān)系，不管它們距離多遠(yuǎn)，只要一個(gè)粒子狀態(tài)發(fā)生變化，就能立即使另一個(gè)粒子狀態(tài)發(fā)生相應(yīng)變化。利用量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的一種新型的通信方式，就是量子通信。
基于量子理論，科學(xué)家們提出量子密鑰的概念。量子密鑰是將數(shù)字密鑰儲存在特殊的量子信息中，并在量子通信線路中傳輸。
由于量子密鑰分發(fā)過程的安全不依賴于計(jì)算的復(fù)雜性，而是基于量子力學(xué)的基本原理，因此不會受到計(jì)算能力和數(shù)學(xué)水平不斷提高的威脅，從而保證了利用量子密碼系統(tǒng)加密的信息不僅在現(xiàn)在是絕對安全的，而且在未來都是絕對安全的。這也使得一些需要長期保密的信息的安全性將會永久地得以保障，即使強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)在未來得以實(shí)現(xiàn)，量子密碼仍然是絕對安全的。
由于“絕無僅有”的安全性，量子通信在國家安全、金融等信息安全等領(lǐng)域有著重大的應(yīng)用價(jià)值和前景。
從長遠(yuǎn)來看，量子通信還能實(shí)質(zhì)性地提升國家的信息技術(shù)水平和信息產(chǎn)業(yè)的核心競爭力，實(shí)現(xiàn)國家信息系統(tǒng)建設(shè)的跨越式發(fā)展，對國家綜合國力的提升、經(jīng)濟(jì)和社會的進(jìn)步產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。因此，量子通信也被認(rèn)為是最有可能引發(fā)軍事、經(jīng)濟(jì)、社會領(lǐng)域又一次重大革命的關(guān)鍵技術(shù)。
技術(shù)改變生活
其實(shí)，空間科學(xué)對于人類生產(chǎn)生活的影響，從來都不是遙不可及的。這一點(diǎn)已經(jīng)在前50多年空間科技發(fā)展歷史中得到廣泛驗(yàn)證。
手機(jī)上使用的高分辨率相機(jī)，已經(jīng)普遍采用了來自深空探測技術(shù)領(lǐng)域的CMOS成像技術(shù)；觀測宇宙伽馬射線暴發(fā)的SWIFT衛(wèi)星所使用的碲鋅鎘探測器，如今在核醫(yī)學(xué)探測中發(fā)揮著重要的作用；當(dāng)下基本上人手一臺的筆記本電腦，正是當(dāng)時(shí)“阿波羅計(jì)劃”中計(jì)算機(jī)需要小型化的產(chǎn)物；而就連“尿不濕”的創(chuàng)意，都是來自于太空排尿設(shè)計(jì)……
量子技術(shù)的應(yīng)用也是如此。當(dāng)前，城域光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)早已成熟，這為通過大力發(fā)展我國自有的量子通信技術(shù)以掌握未來信息產(chǎn)業(yè)主動權(quán)提供了難得的機(jī)遇。其中，在一個(gè)中等城市范圍內(nèi)利用光纖傳輸光子編碼載體是目前實(shí)現(xiàn)量子通信的最佳方案。
2012年，合肥城域量子通信試驗(yàn)示范網(wǎng)全網(wǎng)落成。這一項(xiàng)目成功搭建了46個(gè)節(jié)點(diǎn)的城域量子通信網(wǎng)絡(luò)，覆蓋合肥市主城區(qū)，用戶涵蓋政府部門、金融機(jī)構(gòu)等，能夠提供量子安全下的實(shí)時(shí)語音通信、文本通信及文件傳輸?shù)裙δ堋?年來，示范網(wǎng)運(yùn)行良好，通信正確率達(dá)99.6%，超過目前的移動通信水平。
在合肥城域量子通信試驗(yàn)示范網(wǎng)成功建成后，2013年，濟(jì)南量子通信試驗(yàn)網(wǎng)也開始正式投入使用。這不僅是我國第一個(gè)以承載實(shí)際應(yīng)用為目標(biāo)的大型量子通信網(wǎng)，也是世界上已知的規(guī)模最大、功能最全的量子通信試驗(yàn)網(wǎng)�，F(xiàn)在，山東省內(nèi)已有50個(gè)單位可以通過網(wǎng)絡(luò)內(nèi)量子通信集控站和終端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全傳輸。
除了量子通訊網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，其實(shí)，量子通信的應(yīng)用遠(yuǎn)比我們想象的更為廣泛和“接地氣”。
在“十八大”“抗戰(zhàn)勝利70周年閱兵”等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，我們都可以看到量子通信裝備的“身影”。比如，利用量子通信技術(shù)裝備在國慶60周年閱兵間構(gòu)建的“量子保密熱線”，就為國慶閱兵過程中重要信息的傳送提供了必要的保障。
量子技術(shù)的應(yīng)用，除了量子通信，不得不提的還有量子計(jì)算及其衍生出來的精密測量技術(shù)。
根據(jù)理論預(yù)計(jì)，求解一個(gè)億億億變量的線性方程組，利用目前世界上最快的“天河二號”超級計(jì)算機(jī)需要100年。而利用計(jì)算頻率還低一萬倍的THz量子計(jì)算機(jī)，卻只需0.01秒。
量子計(jì)算機(jī)將會使當(dāng)今現(xiàn)有計(jì)算能力實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍，從而為密碼分析、氣象預(yù)報(bào)、石油勘探、藥物設(shè)計(jì)等所需的大規(guī)模計(jì)算難題提供解決方案。
比如，在隱私保護(hù)方面，因?yàn)榱孔硬豢煽寺〉脑恚魏稳硕疾荒軐ζ渌脩粼诰W(wǎng)絡(luò)上關(guān)于搜索、支付等私密信息進(jìn)行保存?zhèn)浞荩辉谔鞖忸A(yù)報(bào)領(lǐng)域，量子計(jì)算機(jī)可以幫助人們建立更好的氣象模型，讓我們更深入地了解人類如何影響環(huán)境，預(yù)防災(zāi)難發(fā)生；在解決擁堵方面，量子計(jì)算機(jī)可以以超快速、超高效的計(jì)算方式，在微秒內(nèi)迅速計(jì)算出最佳行駛路線；在人工智能方面，量子計(jì)算機(jī)可以在超能的基礎(chǔ)上讓機(jī)器學(xué)習(xí)變得更為超效；量子計(jì)算還可通過其強(qiáng)大的模擬能力，揭示高溫超導(dǎo)、量子霍爾效應(yīng)等復(fù)雜物理機(jī)制，為先進(jìn)材料制造、新能源和新藥物的開發(fā)奠定科學(xué)基礎(chǔ)。
同時(shí)，在量子計(jì)算研究過程中伴隨發(fā)展起來的高精度精密測量手段，還可實(shí)現(xiàn)對重力、時(shí)間、位置等的超高靈敏度測量，從而大幅提升衛(wèi)星導(dǎo)航、潛艇定位、醫(yī)學(xué)檢測、引力波探測等的準(zhǔn)確性和精度。
舉例來說，即便使用目前最好的經(jīng)典加速度計(jì)來自主導(dǎo)航，一艘潛艇航行100天后誤差仍會達(dá)到200公里，這就不得不需要借助衛(wèi)星修正位置，但這也意味著有暴露行蹤的可能。但如果利用量子導(dǎo)航儀進(jìn)行測量，航行100天后的位置測量誤差小于1公里，潛艇可以不需要借助衛(wèi)星導(dǎo)航，從而實(shí)現(xiàn)長期潛伏。■