欧洲学界呼吁将量子技术带入太空，并希望与墨子号团队合作

Original 光子盒研究院光子盒 2021-12-15

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光子盒研究院出品

2021年8月，《自然》杂志发表了的里雅斯特大学物理系教授Angelo Bassi与欧洲其他大学物理学家同行共同撰写的题为《在太空中测试量子力学》的评论文章。文章呼吁，需要在通过太空实验测试量子力学的极限的研究上投入资源。与地球上的实验不同，太空提供了允许物理系统自由发展更长时间的条件(主要是几乎没有重力)。

验证量子力学的极限将提升或彻底改变量子技术的方法，例如在量子计算机的开发方面。鉴于实验的复杂性，这些实验需要几十年的时间才能完成，此外，还需要超国家合作和大量投资。因此，必须加强战略合作：在量子和空间技术方面经验丰富、兴趣浓厚的公共和私营部门、学术界、机构和企业之间的合作。

文章特别提到了希望与美国宇航局和中国科学院墨子号团队开展合作。

研究人员在国际空间站上，通过硬件来探测冷却到几乎绝对零度的气体的量子效应。图片来源：NASA

以下为全文翻译：

量子和经典的边界在哪里？为了找到答案，物理学家们正在测试尺寸越来越大的分子是否表现得像波。当这些粒子穿过狭小的缝隙时，它们会产生条纹干涉图案，就像光波或水波一样。

当前保持这种波动特性的最大尺寸记录保持者是一个比一粒灰尘或细菌(跨度为几十到几百纳米或更大)小数千倍的分子，被称为卟啉低聚物，由2,000个原子组成，直径为5-6纳米，重量约为25,000个原子质量单位^1,2(amu；1 amu是碳12原子质量的十二分之一)。寻找更大的显示量子行为的物体的技术意义是诱人的。

但是，在实验室中可以做的事情是有限的3。量子物质干涉仪复杂、笨重且难以校准。设备必须与外部气体、光线和振动隔离。粒子越大，就越有可能与周围环境相互作用，从而消除其量子行为。产生干涉需要更长的时间，因为量子波传播得更慢。这意味着需要让粒子保持更长时间的稳定。

重力是一种限制。在粒子落到工作台上之前，桌面实验只能持续几秒钟。大于几十纳米的粒子需要几十秒才能产生干涉图案(例如质量为1011amu 的粒子需要 100 秒才能显示条纹)。引入激光或磁场来增强粒子会增加噪音和复杂性。

一切问题的答案是在太空中工作，如下图所示。

来源：《自然》

在微重力下，测试粒子会自由漂浮几分钟。它们会以与它们所在的卫星相同的速度落向地球。在地球上进行持续100 秒的等效实验就像控制一个粒子从 50 公里的高度坠落。

必须克服重大挑战。整个装置应该针对正在部署的特定粒子进行设计——例如，考虑到它们的大小和电荷。它必须能够在太空的恶劣环境中运行，充斥着宇宙射线、太阳风和电离辐射。必须限制实验的大小和重量。需要考虑卫星的运动，并且必须将噪音(例如来自发动机的振动)降至最低。

将量子技术带入太空的兴趣正在增长。然而，到目前为止，大多数国家都专注于具有商业或安全应用的设备。例如，2016 年，中国卫星墨子号展示了北京和维也纳之间的量子加密通信4。2017 年的一个德国团队和 2020 年的 NASA 在太空中制造了玻色-爱因斯坦凝聚态——一种具有传感和计量潜力的量子系统。

用于大粒子的量子干涉仪相比之下会复杂得多。将其送入轨道需要巨大的科技飞跃。在这里，我们列出了主要的研究挑战，并为建立数十亿美元的国际合作以实现这一突破提供了理由。

量子物理学家和空间工程师需要做到以下几点。

物理学家需要评估将使用的测试粒子的质量、大小和形状，以及它们的化学、电学和光学特性。所有这些都将决定实验的设计。有效载荷必须能够处理各种质量和大小的粒子，以跟踪量子行为的扩展方式。电荷需要达到控制单个电子的水平，以最大限度地减少噪音。纳米粒子应该能够与用于控制和检测它们的激光相互作用，但不会吸收杂散光。

玻璃纳米珠是很好的测试对象。这些由二氧化硅或二氧化铪制成的纳米级球体已经广泛用于地面实验。其他材料，例如金或钻石，也可能是合适的。

需要大量的实验运行来确保粒子的质量并证明实验有效。需要开发技术，以便在稳定的条件下和最少的干预下可靠有效地重复实验。物理学家将需要设计用于装载、捕获和重复使用纳米粒子的自动化方法。正在探索的有前景的方法包括使用压电换能器将粒子弹射到将要使用的位置，或者使用喷雾器喷出储存在溶液中的粒子。

必须沿粒子路径放置光栅(一系列狭小的缝隙)来揭示它们的量子行为(参见下图“量子测试”)。这通常是固态掩膜。然而，这种掩膜会捕获大粒子，从而降低光栅的效率。光栅是地面上广泛使用的替代品，其中激光充当栅格。需要精确的建模来了解粒子如何与光相互作用。工业界需要开发在长时间实验中保持稳定的激光器，以及可以在几毫秒内改变光强度的调制器。

来源：《自然》

最后，必须在粒子穿过光栅后探测粒子的位置。至少，设备应该能够测量干涉条纹之间距离的十分之一以内的位置。捕获粒子散射的光是一种成熟的技术，可以在太空中应用。

在测试粒子进入干涉仪之前，它们必须冷却到具有能量和运动最小的状态(大约10-6 K)。这可以使用激光来完成，方法是在地面上使用。整个实验装置也需要冷却。使用基于氦同位素混合物的低温恒温器装置，已在太空中实现了0.1 K的温度。然而，所需的氦量限制了任务的寿命。研究人员需要权衡这些事情。

超高真空条件也是必不可少的。与从地球带来的气体分子或尘埃微粒的碰撞会破坏纳米粒子的量子行为。例如，需要大约10-11帕斯卡或更小的真空压力才能使质量大于1011 amu的纳米球体在测量条纹所需的100秒内保持稳定。尽管这在地面上是可能的，但在太空中的封闭腔室中要困难得多，因为真空泵会产生振动。一种解决方案是在腔室内部涂上一层薄膜，以捕捉杂散气体粒子，例如一种基于钛、锆和钒的合金，正在瑞士日内瓦附近的欧洲粒子物理实验室CERN开发。

必须将所有噪声源降至最低。这些包括机械振动、与气体的相互作用以及太阳辐射、微流星体和离子的簇射。与欧洲航天局(ESA)工程师合作的量子物理学家已经为未来的任务制定了处理这些问题的技术计划5。然而，这些技术尚未在单个实验中一起演示。

例如，LISA探路者任务已经开发出隔离振动的技术。该航天器于2015年发射，测试了激光干涉仪空间天线(LISA)的技术，这是一个的ESA领导的引力波天文台，计划于2034年发射。LISA探路者LISA探路者对噪音的控制非常好，足以测量两个质量(每个2 kg) 之间高达10–14g的相对加速度，其中 g 是地球引力引起的加速度。到目前为止，这是报道的最好的表现之一。相比之下，这就像跟踪质量一样，因为移动十分之一毫米需要一天时间。干涉量子实验需要以更小的质量达到类似的水平。

太空工程师必须确定将卫星放入哪些轨道以避免碰撞粒子。主要目的是最小化加速度和重力的其他变化。

已提出了合适的途径。例如，航天器有效地“盘旋”在轨道运动的引力和离心力相互平衡的地方。欧洲航天局(ESA)提出了卫星围绕从太阳看地球正后方150万公里处的L2点运行的想法，地球在这个位置始终可见，这使得通讯更加容易。(普朗克卫星和詹姆斯·韦伯太空望远镜目前都在这里。)

替代方案包括L1 点，在该点太阳和地球对卫星的引力是相反的。在距离地球约 150万公里的L1点，卫星以与地球相同的角速度绕太阳运行。(该地点目前是太阳与日光层观测台探测器的所在地。)

当在太空中实施时，测试量子叠加极限的成本——同时处于两种或多种不同的物理状态，这是量子系统的基本特性——将超过目前的国家研究预算。据统计，LISA探路者花费超过 4.3 亿欧元(5.08 亿美元)，中国墨子号花费超过1亿美元，美国宇航局领导的在国际空间站上进行玻色-爱因斯坦凝聚态的实验花费了大约7000万美元。相比之下，英国对其基础物理量子技术计划的支持仅为3100万英镑(4300 万美元)。桌面干涉测量实验仅花费几百万欧元。

需要建立总预算至少为10 亿欧元的超国家合作，包括地球上的活动。相比之下，这是欧盟量子旗舰计划的全部预算。技能需要培养，合作需要加强：在量子和空间技术方面有经验的公共和私营部门、学术界、机构和企业之间。(例如英国朴茨茅斯的Airbus Defense and Space、德国不莱梅的OHB system以及法国戛纳的Thales Alenia Space)6。

欧洲处于领先地位。在2017年发布的最新欧洲航天局中期战略报告中，大粒子干涉测量是三个优先领域之一(连同冷原子和纠缠光子实验)。一项专门的任务可能会在2030年代后期启动5。正如欧洲航天局6月宣布的长期路线图“Voyage 2050”中所强调的那样，大规模量子测试将用于稍后的中期任务。

自2017 年以来，欧盟已向QTSpace项目投资了50万欧元，旨在建立一个包括来自46个国家的研究人员和公司的量子空间社区(www.qtspace.eu)。量子空间网络倡议——一个与欧盟量子旗舰计划内建立的量子社区网络平行的机构——正在与政策制定者、资助机构和ESA保持联系。

现在，其他国家、科学家、机构和公司需要加入进来。碎片化的努力只会延迟进展。欧洲研究人员已经看到，通过欧盟的共同努力如何加快了进步的步伐。

批评者会说，没有必要在基础物理学领域再设立一个10 亿美元的项目，尤其是在一个应对新冠病毒和气候变化的世界中。但我们认为，即使在十年内，就新知识和技术而言，回报也可能是巨大的。航天领域的投资将有助于全球经济的复苏。

这样的对话将在11月底在线举行的下一届欧洲量子技术虚拟会议上开始。量子空间网络和量子社区网络的成员应扩大到美国宇航局和中国科学院墨子团队的代表，以及量子太空竞赛的其他主要参与者，从加拿大到新加坡和日本。

保护知识产权、共享技术和数据安全应该被提上议事日程。这些问题曾阻碍了量子技术跨洲框架的建立。就这方面而言，欧盟最近决定允许英国和以色列等非欧盟国家竞标Horizon Europe在量子和太空计划方面的资金，这是一个积极的信号。

doi：https://doi.org/10.1038/d41586-021-02091-8

参考文献

1.Fein, Y. Y. et al. Nature Phys. 15, 1242–1245 (2019).

2.Gerlich, S. et al. Nature Phys. 3, 711–715 (2007).

3.Gasbarri, G., Belenchia, A., Paternostro, M. & Ulbricht, H. Phys. Rev. A 103, 022214 (2021).

4.Liao, S.-K. et al. Nature 549, 43–47 (2017).

5.European Space Agency. CDF Study Report. QPPF: Assessment of Quantum Physics Payload Platform (ESA, 2018).

6.Jones, K. L. Public–Private Partnerships: Stimulating Innovation in the Space Sector (Center for Space Policy and Strategy, 2018).

—End—

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