量子技术已经在改变地球上的生活。但它们也有潜力改变我们在太空中的运作方式。随着美国、中国和欧洲都在大力投资这一领域，这些变化很可能比我们预期的来得更快。
那么，基于太空的量子技术将如何发挥作用呢？
现在，得益于奥地利量子光学与量子信息研究所的Rainer Kaltenbaek及其欧洲同事的研究，我们得以对这一领域的未来进行概述，并列出了基于太空的量子技术将成为可能的新进展。
虽然量子计算和量子通信吸引了大部分眼球，但Kaltenbaek及其同事指出，其他量子技术也将产生同样令人印象深刻的影响。例如，以量子传感器进行原子干涉测量。
这些设备可以以前所未有的精度测量轨道上卫星运动的任何变化，即使它们受到地球引力场微小变化的扰动。这些变化是由深海中较冷、密度较高的水流、洪水、大陆漂移和冰流等因素引起的。
气候传感
因此，这些类型的量子传感器将为地球观测的新时代铺平道路。这些研究将揭示气候变化对深海洋流难以观测到的影响，大陆移动时产生的应力，并帮助我们更好地了解地球的地质情况。“基于太空的量子传感器将能够更好地监测地球资源，并改进对地震和气候变化不利影响（如干旱和洪水）的预测，” Kaltenbaek及其同事表示。
更好的量子时钟也将发挥重要作用。这里的关键技术与其说在于计时能力，不如说在于能够高精度地将信息传输到另一个位置。这种能力将催生比今天任何技术都更精确同步的太空时钟网络。
计时网络已经被认为是基础——全球导航卫星系统（如GPS）就是很好的例子。而更好的计时将允许更精确的地理定位服务。
但这仅仅是开始。一个重要的应用将是创建可见光合成孔径望远镜。
这里的想法是记录光波在两个不同位置的到达时间，然后计算出其源（如遥远的恒星）的图像。该技术的分辨率相当于一个孔径等于这两点之间距离（可能数千公里）的传统望远镜的分辨率——因此得名合成孔径。
对于较长波长的辐射（如无线电波），这早已成为可能。事实上，2019年，利用这种技术对无线电波进行观测，首次拍摄到了超大质量黑洞的图像。
但可见光的波长以纳米计，而不是米。这需要更精确的计时测量才能记录其到达，而下一代基于太空的量子计时设备应该能够实现这一点。
系外行星大气层
这类合成孔径望远镜将比我们今天能建造的任何设备都要灵敏得多，有可能让天文学家以前所未有的细节详细研究其他恒星周围的行星。基于太空的引力波天文台也将受益，使它们能够捕捉到碰撞的中子星等天体发出的更微弱的信号。
短期内，基于太空的量子技术最引人注目的优势将来自安全通信。量子论的一个著名应用是允许信息以完美的安全性进行传输。
2016年，中国发射了“墨子号”，这是世界上第一颗量子通信卫星。它已经实现了跨大洲的安全视频通话。欧洲和美国在这方面落后很多，但应该会效仿，将地面量子通信网络与太空网络连接起来，并最终实现全球量子互联网。
当然，这一切都需要大量的规划、充分的合作和充足的资金。欧洲已承诺为未来的量子技术提供大量资金，中国在太空量子技术方面处于领先地位，而美国在某些领域则缺乏重点。
如果想重新夺回这些领域的领导地位，这些情况必须改变。
参考文献：太空中的量子技术：arxiv.org/abs/2107.01387
