“天宫二号”上那些太空实验，或许让科幻走进现实

　　中国首个真正意义上的空间实验室“天宫二号”已经发射升空。在我们头顶近400公里高的这个太空实验室里，将开展十多项科学实验和观测。能够拿到登上“天宫二号”“船票”的实验，无疑都属于当今世界最前沿的探索领域。

　　代表中科院牵头负责载人航天工程空间应用系统的中科院空间应用工程与技术中心介绍，“天宫二号”上要进行的各类实验是载人航天历次任务中应用项目最多的一次。内容涉及微重力流体物理、空间材料科学、空间生命科学、空间天文探测、空间环境监测、对地观测及地球科学研究以及新技术试验等多个领域。

　　三个空间科学物理领域重点项目

　　据介绍，“天宫二号”三个空间科学物理领域重点项目是：空间冷原子钟实验、空地量子密钥分配试验、伽玛暴偏振探测。这三个项目均属国际科学前沿，科学意义重大。

　　空间冷原子钟将成为国际上第一台空间运行的冷原子钟，可以使飞行器自主守时精度提高两个量级，在国防安全、高精度星钟等方面具有广泛的应用价值。

　　这只钟没有钟摆，也没有秒针走路的滴答声，是一只“长相”完全不符合人们对钟的预期的黑色圆柱体。它对时间的测量基于原子物理，而又跟大部分的原子钟不同，这只钟应用的是更为先进的冷原子物理技术。

　　关于空间冷原子钟的想象图

　　据上海光机所中科院量子光学重点实验室主任刘亮介绍，如果说机械表1天差不多有1秒误差，石英表10天大概有1秒误差，氢原子钟数百万年有1秒误差，那么冷原子钟则可以做到三千万年到三亿年误差1秒。

　　据科学家介绍，冷原子技术的发展使许多实验的精度大幅度地提高，使原来不可能进行的实验成为可能。例如，目前的卫星导航系统只能用于近地范围，未来有没有可能实现太阳系行星间的定位呢?若是能在空间合适的位置放置高精度原子钟，就可以实现大尺度的高精度导航。

　　刘亮认为，最合适的位置是太阳系中的各个拉格朗日点，因为这里是引力平衡点。若在这些点上各放置一台高精度原子钟，则至少可以在太阳系较大范围内实现准确定位。这一旦实现，就可以进行大尺度时空研究，例如可以验证广义相对论在大尺度情况下是否成立等。

　　刘亮介绍，利用空间冷原子钟还可以测量引力红移，探测引力波以及暗物质等。“实际上，很多研究都是基于我们对于时空的测量。只要能探测到时空的变化，我们就能测出目前的方法感觉不到的东西。”他说。

　　由中国科学技术大学和中科院上海技物所共同研制的量子秘钥将实现“天机不可泄露”。空地量子密钥分配试验将开展天-地超远距离量子密钥传输，以及业务数据天地激光通信，将为未来建立不可破译的信息安全系统，在国际上率先建立实用化的保密通信网络奠定基础。

　　在地面光纤网络建设上，世界第一条量子保密通信主干线路“京沪干线”即将建成，这将大幅提高我国在军事国防、银行、金融系统的信息安全。

　　为了更远距离的量子保密通信，我们除了继续建设地面光纤网络以外，还需要借助天上的多个飞行器，实现覆盖光纤无法到达区域的量子密钥分配。

　　天宫二号上的载荷“量子密钥分配专项”就是以实现空地间实用化的量子密钥分配为目标，通过天上发射一个个单光子并在地面接收，生成“天机不可泄露”的量子密钥。

　　天宫二号的轨道飞行高度大约为400多公里，飞行速度约每秒钟8公里，地面站的接收口径约一米。用来生成量子密钥的光子需要精准地打在地面站的望远镜上。这精准程度就如同在一辆全速行驶的高铁上，把一枚枚硬币准确地投到10公里以外的一个固定的矿泉水瓶里，难度可想而知。

　　如果把光子比作硬币，那么光子的偏振方向就好比硬币的偏转角度。量子密钥的安全性就来自这些偏转角度。BB84协议就好比一共选取 “↑”、“→”、“↗”、“↘”四个偏转角度，并且都对应好二进制编码。密钥分配时，发射端和接收端都随机用“+”和“×”两种洞来让硬币通过。

　　BB84量子密钥分配协议

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