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作者： 记者 唐琳 来源： 发布时间：2016-8-19 15:30:3
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试试询问周围的朋友，科学研究的哪一个领域与我们的生活最息息相关，回答会是多种多样的：医学、生物技术、能源与环境……但鲜少有人提及空间科学。
所谓空间科学，是以航天器为主要平台，研究发生在日地空间、行星际空间乃至整个宇宙空间的物理、天文、化学以及生命等自然现象及其规律的科学。可就是这看起来有些遥不可及的研究领域，却与人类社会的进步以及生产生活密不可分。
自1957年以来，人类已经发射了近8000个航天器。进入新世纪之后，空间科技继续引领人类社会发展，并不断开辟新的前沿，呈现出新的趋势。
一些长期困扰人类的重大科学问题，如宇宙大爆炸之后到星系诞生之前究竟发生了什么、神秘的黑洞及其周边是什么样子、地球之外是否有生命包括智慧生命等重大前沿科学问题，都成为未来空间探索的关注重点。其实，当人类登陆月球，从地球这个摇篮向外迈出第一步开始，就在不断扩展和突破对宇宙空间的认识。
除了丰富认知，空间科学更无时无刻不联系着我们衣、食、住、行的方方面面。
无处不在的卫星通信、卫星导航定位、卫星遥感以及依靠卫星对地球观测的天气预报和灾害预报，成为我们保障国家安全以及日常生活中必不可少的要素；而源于空间科技需求而发展起来的新技术，在为空间探索服务的同时，更是极大地改变着人们的生活。
而这其中最具代表性和说服力的，当属量子科学实验卫星，及其带来的可能颠覆人类现有通信、计算、测量方式的量子技术。
守护国家安全
伴随着互联网的飞速发展，信息安全早已成为人们关心的网络问题首选。而2013年爆发的“棱镜门”事件，更使这一问题发酵成为更高层次的国家安全隐患。
2013年6月，前美国中央情报局雇员斯诺登向媒体爆料，自2007 年起，美国情报机构就开始与美国各大互联网公司“合谋”，自由调取全球公民的各种隐私。
一石激起千层浪。在此后的时间里，一连串的新闻报道更加印证了公众的担心：全球的网络、电子通讯正处在以美国政府为主导的监控之下。
除却美国已经“暴跳如雷”的欧洲盟友，美国国家安全局在全球范围内的网络攻击行动已被证实超过6.1 万项，法国、意大利、希腊、日本、墨西哥、韩国、印度和土耳其等38 个大使馆都“难逃魔掌”。
随着快速崛起，中国自然也成为了美国重点监控的对象。
根据斯诺登提供的信息，美国政府正在对中国的移动网络运营商进行黑客攻击，以窃取数百万条短信。作为国内最重要的通讯方式之一，仅2012 年一年，中国人的短信交流就达到了近9000 亿次。使用短信的人群既包括普通民众，也包括政府官员；短信交流既用于日常生活，也用于工作沟通。这意味着，一旦涉及国家重要信息的短信被窃取，那么国家安全就有可能在这一条小小的短信中流失。
“倒霉”的不仅是移动通讯。根据外媒报道，美国国家安全局旗下一个名为定制入口行动办公室（TAO）的部门，在过去近15 年中一直对中国境内电脑和通讯系统进行网络攻击，借此获取有关中国的有价值情报。
显而易见，我国现有信息技术存在着难以预期的风险和通信安全隐患，无论是民用通信还是军用通信，在信息加密的硬、软件方面都可能受制于人。当信息安全已然上升到国家战略的高度，保障通信安全与通信保密也随之成为政府高度关注的焦点，发展“自主可控”的信息技术和产品成为了当务之急。
那么，究竟有没有一种通信技术和手段是绝对可以信赖的？答案是肯定的。
微观世界里，有共同来源的两个微观粒子之间存在着纠缠关系，不管它们距离多远，只要一个粒子状态发生变化，就能立即使另一个粒子状态发生相应变化。利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通信方式，就是量子通信。
基于量子理论，科学家们提出量子密钥的概念。量子密钥是将数字密钥储存在特殊的量子信息中，并在量子通信线路中传输。
由于量子密钥分发过程的安全不依赖于计算的复杂性，而是基于量子力学的基本原理，因此不会受到计算能力和数学水平不断提高的威胁，从而保证了利用量子密码系统加密的信息不仅在现在是绝对安全的，而且在未来都是绝对安全的。这也使得一些需要长期保密的信息的安全性将会永久地得以保障，即使强大的量子计算机在未来得以实现，量子密码仍然是绝对安全的。
由于“绝无仅有”的安全性，量子通信在国家安全、金融等信息安全等领域有着重大的应用价值和前景。
从长远来看，量子通信还能实质性地提升国家的信息技术水平和信息产业的核心竞争力，实现国家信息系统建设的跨越式发展，对国家综合国力的提升、经济和社会的进步产生深远的影响。因此，量子通信也被认为是最有可能引发军事、经济、社会领域又一次重大革命的关键技术。
技术改变生活
其实，空间科学对于人类生产生活的影响，从来都不是遥不可及的。这一点已经在前50多年空间科技发展历史中得到广泛验证。
手机上使用的高分辨率相机，已经普遍采用了来自深空探测技术领域的CMOS成像技术；观测宇宙伽马射线暴发的SWIFT卫星所使用的碲锌镉探测器，如今在核医学探测中发挥着重要的作用；当下基本上人手一台的笔记本电脑，正是当时“阿波罗计划”中计算机需要小型化的产物；而就连“尿不湿”的创意，都是来自于太空排尿设计……
量子技术的应用也是如此。当前，城域光纤量子通信网络技术早已成熟，这为通过大力发展我国自有的量子通信技术以掌握未来信息产业主动权提供了难得的机遇。其中，在一个中等城市范围内利用光纤传输光子编码载体是目前实现量子通信的最佳方案。
2012年，合肥城域量子通信试验示范网全网落成。这一项目成功搭建了46个节点的城域量子通信网络，覆盖合肥市主城区，用户涵盖政府部门、金融机构等，能够提供量子安全下的实时语音通信、文本通信及文件传输等功能。4年来，示范网运行良好，通信正确率达99.6%，超过目前的移动通信水平。
在合肥城域量子通信试验示范网成功建成后，2013年，济南量子通信试验网也开始正式投入使用。这不仅是我国第一个以承载实际应用为目标的大型量子通信网，也是世界上已知的规模最大、功能最全的量子通信试验网。现在，山东省内已有50个单位可以通过网络内量子通信集控站和终端实现数据安全传输。
除了量子通讯网络的建设，其实，量子通信的应用远比我们想象的更为广泛和“接地气”。
在“十八大”“抗战胜利70周年阅兵”等关键节点，我们都可以看到量子通信装备的“身影”。比如，利用量子通信技术装备在国庆60周年阅兵间构建的“量子保密热线”，就为国庆阅兵过程中重要信息的传送提供了必要的保障。
量子技术的应用，除了量子通信，不得不提的还有量子计算及其衍生出来的精密测量技术。
根据理论预计，求解一个亿亿亿变量的线性方程组，利用目前世界上最快的“天河二号”超级计算机需要100年。而利用计算频率还低一万倍的THz量子计算机，却只需0.01秒。
量子计算机将会使当今现有计算能力实现质的飞跃，从而为密码分析、气象预报、石油勘探、药物设计等所需的大规模计算难题提供解决方案。
比如，在隐私保护方面，因为量子不可克隆的原理，任何人都不能对其他用户在网络上关于搜索、支付等私密信息进行保存备份；在天气预报领域，量子计算机可以帮助人们建立更好的气象模型，让我们更深入地了解人类如何影响环境，预防灾难发生；在解决拥堵方面，量子计算机可以以超快速、超高效的计算方式，在微秒内迅速计算出最佳行驶路线；在人工智能方面，量子计算机可以在超能的基础上让机器学习变得更为超效；量子计算还可通过其强大的模拟能力，揭示高温超导、量子霍尔效应等复杂物理机制，为先进材料制造、新能源和新药物的开发奠定科学基础。
同时，在量子计算研究过程中伴随发展起来的高精度精密测量手段，还可实现对重力、时间、位置等的超高灵敏度测量，从而大幅提升卫星导航、潜艇定位、医学检测、引力波探测等的准确性和精度。
举例来说，即便使用目前最好的经典加速度计来自主导航，一艘潜艇航行100天后误差仍会达到200公里，这就不得不需要借助卫星修正位置，但这也意味着有暴露行踪的可能。但如果利用量子导航仪进行测量，航行100天后的位置测量误差小于1公里，潜艇可以不需要借助卫星导航，从而实现长期潜伏。■
《科学新闻》 (科学新闻2016年5月刊 匠心)
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