王煜

近年來，中國在人造衛(wèi)星的研制和應(yīng)用領(lǐng)域取得了舉世矚目的成就：北斗導(dǎo)航將開始全球組網(wǎng)；“悟空”和“慧眼”為人類探測宇宙的基礎(chǔ)科學(xué)研究助力；“墨子號”將神秘的“上帝效應(yīng)”與人們的實際生活之間的距離又縮小了一步。

今天，在我們的天幕中，除了自然星體之外，還有千百顆人造衛(wèi)星閃爍，它們?yōu)槿祟惖目蒲?、生活、軍事等各方面提供了?qiáng)大的支持。近年來，中國在人造衛(wèi)星的研制和應(yīng)用領(lǐng)域取得了舉世矚目的成就：北斗導(dǎo)航已經(jīng)形成自己的“星座”，具備了實際應(yīng)用能力，將開始全球組網(wǎng)；“悟空”和“慧眼”在技術(shù)指標(biāo)上領(lǐng)先世界，為人類探測宇宙的基礎(chǔ)科學(xué)研究助力；“墨子號”更是在量子通信上做出了世界第一的嘗試，將神秘的“上帝效應(yīng)”與人們的實際生活之間的距離又縮小了一步。

“北斗”完善全球?qū)Ш?/p>

“全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”（GNSS）是一個門檻極高的俱樂部，曾經(jīng)只有3個會員：美國的GPS、歐洲的伽利略（GALILEO）、俄羅斯的格洛納斯（GLONASS），而現(xiàn)在，中國的北斗（COMPASS）也成為了俱樂部的會員，它是最新的一個，也是發(fā)展勢頭最猛，極有可能后來居上的一個。

美國的GPS是目前公眾最為熟悉，也應(yīng)用得最多的一套全球?qū)Ш较到y(tǒng)。它于1978年發(fā)射了第一顆衛(wèi)星，全系統(tǒng)在1995年投入運行，現(xiàn)有衛(wèi)星30顆，分為軍用和民用兩種定位模式，其中民用定位向全球免費開放。

GPS對全世界的民用導(dǎo)航領(lǐng)域來說是個福利，但在軍事方面卻是個挑戰(zhàn)。GPS民用領(lǐng)域的定位精度達(dá)不到軍事要求，更重要的是，萬一他國與美國發(fā)生戰(zhàn)爭，后者停止GPS服務(wù)，甚至操縱導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)送錯誤的定位信息，這將是非?？膳碌那闆r。所以，發(fā)展自己的全球?qū)Ш较到y(tǒng)，是維護(hù)國家利益的必然選擇。當(dāng)然，要組建這樣的衛(wèi)星系統(tǒng)，必須擁有足夠的科研水平和經(jīng)濟(jì)實力。

中國建設(shè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的規(guī)劃從上個世紀(jì)70年代就已經(jīng)開始，“七五”計劃中提出了“新四星”計劃，隨后提出過單星、雙星、三星、三到五顆星的區(qū)域性系統(tǒng)方案，以及多星的全球系統(tǒng)設(shè)想，研究論證從未停止。

上世紀(jì)80年代初期，以“兩彈一星”元勛成芳允院士為首的專家團(tuán)體提出了雙星定位方案，這是當(dāng)時公認(rèn)的最優(yōu)方案，但因經(jīng)濟(jì)條件等種種原因又?jǐn)R置了十年。1991年是個重大轉(zhuǎn)折點，海灣戰(zhàn)爭中，美國的GPS在作戰(zhàn)中的應(yīng)用非常成功，它在戰(zhàn)爭時置歐洲盟國于不顧強(qiáng)行關(guān)閉對歐GPS服務(wù)的做法也再度彰顯研發(fā)自主導(dǎo)航系統(tǒng)的緊迫性。這之后，北斗的推進(jìn)速度加快，2000年10月，北斗一代的第一顆衛(wèi)星上天。

目前的北斗系統(tǒng)已經(jīng)是第二代，計劃總計發(fā)射35顆衛(wèi)星組成導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)。2017年下半年北斗將正式開始全球組網(wǎng)，預(yù)計到2020年最終形成全球服務(wù)能力。

北斗的首次成功應(yīng)用是2008年汶川地震的救援期間，那時候北斗還是一代系統(tǒng)，雖然當(dāng)時的性能指標(biāo)還比不過GPS和海事衛(wèi)星，但在地震破壞地面通信基礎(chǔ)設(shè)施的環(huán)境下，發(fā)揮出了不受地面影響的優(yōu)勢。它的定位和短信能力充分發(fā)揮了作用，成為救援指揮部隊和前線救援人員最得力的通信助手，最大限度地保證了“72小時黃金搶救時間”的有效利用。目前的北斗二代系統(tǒng)，結(jié)合地基增強(qiáng)網(wǎng)的使用，已經(jīng)可以做到厘米級的精確定位。

除了為民眾提供一般的出行導(dǎo)航外，北斗二代的用途非常多，據(jù)統(tǒng)計有200多項。例如，遠(yuǎn)洋漁業(yè)對導(dǎo)航定位的需求是剛性的，之前漁民必備的是GPS和海事衛(wèi)星電話，以便遇到風(fēng)險時能及時求助。北斗二代在亞太地區(qū)布網(wǎng)后，漁民有了一個新選擇，那就是安裝北斗衛(wèi)星船載終端。北斗的雙向短信功能在漁船救險方面得到了完美應(yīng)用，遇到險情后一鍵求救，終端會自動把附帶著定位信息的求救短信通過衛(wèi)星發(fā)給岸上的救援隊，實現(xiàn)了GPS+海事衛(wèi)星電話的功能，而且更加方便。

北斗的短信功能非常受歡迎，漁業(yè)省份在岸上大力建設(shè)基于北斗二代的漁業(yè)信息服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施，通過衛(wèi)星給漁船發(fā)送實時的天氣、海浪、赤潮、魚汛消息，甚至還有當(dāng)日漁市價格，幫助漁民決定捕撈哪種魚，漁民在海上就可以把漁獲信息傳到岸上，提前聯(lián)系好賣家。根據(jù)浙江省2011年的統(tǒng)計，該省漁民利用北斗衛(wèi)星發(fā)短信1300萬條，其中船與船互通604萬條，船與手機(jī)互通696萬條。

再如對水壩、大橋、高速公路等巨大建筑的沉降和變形的監(jiān)測。把北斗設(shè)備固定在建筑上面，令它自動接收定位信息，積累一段時間的海量定位數(shù)據(jù)后進(jìn)行差分計算，就能獲取精度在毫米以下的定位數(shù)據(jù)，這比人工測量方便和準(zhǔn)確得多。

截至2016年6月12日，北斗已經(jīng)發(fā)射了23顆衛(wèi)星，分布最密集處在中國上空，對亞太國家而言，相比GPS而言有覆蓋優(yōu)勢。中國政府也積極推動北斗二代在亞太地區(qū)的應(yīng)用。2014年7月、泰國、馬來西亞、文萊、印度尼西亞、柬埔寨、老撾等國家派出19名專家，來到中國考察北斗二代，研究討論合作的事項，并參加了“2014北斗技術(shù)與應(yīng)用國際培訓(xùn)班”

泰國專家表示，有些GPS衛(wèi)星的信號泰國收不到，而北斗所有的衛(wèi)星信號都能接收到，因此要參加北斗的“天眼”計劃；馬來西亞緊隨其后，將成為北斗“天眼”下一個落戶的國家。

不僅如此，北斗已得到了國際電信聯(lián)盟的支持和國際海事組織的認(rèn)可。同時，中國政府在國內(nèi)積極推動北斗的產(chǎn)學(xué)研聯(lián)盟，得到了各界的支持響應(yīng)。

“悟空”與“慧眼”探尋太空

暗物質(zhì)被比作“籠罩在21世紀(jì)物理學(xué)天空中的烏云”，它可由萬有引力定律推測存在，卻從未被直接觀測到。如果暗物質(zhì)之謎能被揭開，這將是繼日心說、萬有引力定律、相對論及量子力學(xué)之后的又一次重大科學(xué)突破，能讓人類更好地解釋宇宙為什么會是當(dāng)前這樣以及將怎樣演化。

為了推進(jìn)這個領(lǐng)域的研究，中國于2015年12月17日將暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星發(fā)射升空，它是中國科學(xué)院空間科學(xué)戰(zhàn)略先導(dǎo)專項的五顆衛(wèi)星之一。在發(fā)射升空前，它得到了名字“悟空”，這是從全球范圍內(nèi)的公眾征名活動中，從32000多個方案中最終選取的。endprint

“悟空”的“神通”在哪里？它的工作原理是：通過探測宇宙中高能粒子的方向、能量以及電荷大小來間接尋找和研究暗物質(zhì)粒子。

在對高能電子和光子的測量方面，它的三大本領(lǐng)是：最高的能量分辨率，最寬的能量范圍，最好的本底抑制能力。本底抑制，就是把觀測到的信號與大量的宇宙射線區(qū)別開來，降低宇宙射線背景。這三個物理指標(biāo)上，“悟空”達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。在這樣的技術(shù)優(yōu)勢下，“悟空”的研制費用僅是美國FERMI望遠(yuǎn)鏡和阿爾法磁譜儀的1/7和1/20。

“悟空”這次執(zhí)行任務(wù)計劃工作3年，有望在軌工作5年。它將圍繞地球旋轉(zhuǎn)，四層科學(xué)探測器將面朝太空，全面接受來自宇宙四面八方的高能電子和伽馬射線。這相當(dāng)于科學(xué)家在宇宙中放置了一臺“除去大氣層面紗”的“超高清望遠(yuǎn)鏡”。

“悟空”每天接收的數(shù)據(jù)大約是16G，所有收集到的科學(xué)數(shù)據(jù)將完整保存，并實時傳回地面。一旦用這些原始數(shù)據(jù)勾勒出的“伽馬射線能譜”反映出譜線極段等特征信號，科學(xué)家就獲得了暗物質(zhì)粒子存在的強(qiáng)有力證據(jù)。

像在《西游記》里一樣，“悟空”也將進(jìn)入一個未知的旅程。暗物質(zhì)衛(wèi)星首席科學(xué)家、中國科學(xué)院紫金山天文臺副臺長常進(jìn)說：“暗物質(zhì)的物理性質(zhì)還沒有弄清楚，沒有人能百分之百保證衛(wèi)星一定能找到暗物質(zhì)。但只要它工作正常，就為我們打開了一扇新窗口?！?img alt="" src="https://cimg.fx361.com/images/2017/09/11/xmzk201735xmzk20173508-2-l.jpg" style="width: 650px;"/>

暗物質(zhì)是一項純基礎(chǔ)科學(xué)研究，如果“悟空”有所發(fā)現(xiàn)，將會改變什么？

“不好說有什么具體的應(yīng)用，但是會極大地改變我們對世界的認(rèn)識?！弊辖鹕教煳呐_助理研究員馮磊說，“畢竟，我們現(xiàn)在對占宇宙百分之二十七的暗物質(zhì)是一無所知的?！?/p>

像“悟空”一樣對宇宙探測擁有“火眼金睛”的，還有2017年6月15日發(fā)射升空的我國首顆X射線空間天文衛(wèi)星“慧眼”號。

“慧眼”全稱“硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星”（HXMT），裝載高能、中能、低能X射線望遠(yuǎn)鏡和空間環(huán)境監(jiān)測器等4個探測有效載荷。在4年中，它將不間斷地監(jiān)控各類天體的一舉一動，幫助人類進(jìn)一步揭開宇宙的神秘面紗。它也改寫了我國在空間高能天體物理領(lǐng)域沒有自主數(shù)據(jù)的歷史。

“‘慧眼能觀測黑洞和中子星附近物質(zhì)變化的情況，通過觀測它們的X射線輻射，研究我們在地球?qū)嶒炇噎h(huán)境里無法研究的科學(xué)規(guī)律。”該衛(wèi)星首席科學(xué)家、中國科學(xué)院粒子天體物理重點實驗室主任張雙南介紹。

宇宙中，脈沖星、伽馬射線暴、超新星遺跡、黑洞等天體活動，都是以發(fā)射X射線為表征，如果能接收到這些射線加以分析，就能勾畫出這些天體的輪廓，甚至能一窺黑洞的奧秘，這對人類探索太空具有重要意義。

“慧眼”是世界上探測覆蓋范圍最廣的天文望遠(yuǎn)鏡之一，可以進(jìn)行全譜段觀測，不僅可以將宇宙事件從發(fā)生、發(fā)展到結(jié)束全過程的壯麗景象盡收眼底，還能看到這些景象出現(xiàn)時的時變過程是怎樣的，相比國際上同類衛(wèi)星的時間分辨率有大幅提升。

“墨子號”提升量子通信

“量子糾纏”有許多奇妙的特性，因而在科學(xué)中被稱為“上帝效應(yīng)”，其中最有可能首先為人們實際應(yīng)用的，就是可以實現(xiàn)信息的完全安全傳遞的量子通信。

中國在這一領(lǐng)域走在了世界前列。

2016年8月16日，我國成功將世界首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”發(fā)射升空。2017年1月18日，“墨子號”在圓滿完成4個月的在軌測試任務(wù)后，正式交付中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)使用。

中國科學(xué)院院士、量子衛(wèi)星首席科學(xué)家潘建偉在接受采訪時說，通信安全是國家信息安全和人類經(jīng)濟(jì)社會生活的基本需求。千百年來，人們對于通信安全的追求從未停止。然而，傳統(tǒng)加密技術(shù)，主要是基于計算復(fù)雜性，在原理上就存在被破譯的可能。事實上，隨著數(shù)學(xué)的發(fā)展和電腦計算能力的不斷提升，經(jīng)典密碼被破譯的可能性與日俱增。

量子通信的重要研究內(nèi)容之一是量子密鑰分發(fā)?！盎诹孔硬豢煞指詈蜔o法克隆的特性，量子密鑰分發(fā)通過量子態(tài)的傳輸，在遙遠(yuǎn)兩地的用戶共享無條件安全的密鑰，利用該密鑰對信息進(jìn)行一次一密的嚴(yán)格加密，這是目前人類唯一已知的不可竊聽、不可破譯的無條件安全通信方式?！迸私▊フf。

通俗地說，如果將“量子通信”比作郵寄一份信件的話，那么“糾纏光子”就是這封信的信封：糾纏光子能攜帶信息，并確保信息的安全。

2017 年6月16日，“墨子號”量子衛(wèi)星在世界上首次實現(xiàn)千公里量級的量子糾纏分發(fā)，這意味著量子通信向?qū)嵱眠~出一大步，這項研究成果發(fā)表于國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上。

2017年8月10日，中國科學(xué)院宣布，從衛(wèi)星到地面的量子密鑰分發(fā)，以及從地面到衛(wèi)星的量子隱形傳態(tài)，是“墨子號”最新實現(xiàn)的科學(xué)目標(biāo)。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、彭承志團(tuán)隊聯(lián)合中科院上海技術(shù)物理研究所等單位完成的上述成果，在線發(fā)表于國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》上。至此，“墨子號”原定于兩年完成的三大既定科學(xué)目標(biāo)，已用一年時間提前完成。這標(biāo)志著中國在量子通信領(lǐng)域的研究在國際上達(dá)到全面領(lǐng)先的優(yōu)勢地位。

《自然》物理科學(xué)主編卡爾·齊姆勒斯評價道：“以前人們會說量子技術(shù)的極限在天邊，但這說法其實有些保守了。最近發(fā)表的這些實驗中，量子技術(shù)已經(jīng)突破了天空的限制，也是中國在物理科學(xué)方面的投資及努力的證明，正因為有了這些投資與努力，該研究團(tuán)隊才能夠?qū)?yīng)用型量子通信技術(shù)方面的研究提升到如此的天文高度?！?/p>

潘建偉曾表示，在未來的5年內(nèi)，他還希望中國能發(fā)射更多的量子衛(wèi)星。他期望量子通信能在2030年前覆蓋到多個國家和地區(qū)。簡單來說，這意味著人們可以用量子信號來給別人發(fā)信息了。

不過，除了這點之外，專家們其實也還沒搞清楚量子通信還能實際應(yīng)用于哪些方面。這其中最主要的原因是，有關(guān)量子通信的許多技術(shù)目前仍處在研究的初期。科學(xué)家們還無法很好地控制和操控量子信號。例如，“墨子號”能傳輸和接收量子信號，但它無法真正實現(xiàn)量子信息儲存，即便是目前最好的量子存儲器，它保留信息的時間也無法超過1個小時。如何長久存儲量子信息，這或許是中國量子通信研究的下一個課題。endprint