“天宮二號”空間實(shí)驗(yàn)室與神舟飛船對接示意圖
7月10日，來自中國載人航天工程辦公室的消息稱，天宮二號空間實(shí)驗(yàn)室已于昨日安全運(yùn)抵酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心載人航天發(fā)射場，即將開展發(fā)射場總裝和測試工作。
據(jù)國際在線援引中國載人航天工程辦公室消息，天宮二號空間實(shí)驗(yàn)室按流程完成了出廠前所有研制工作，2016年7月7日從北京啟程，經(jīng)鐵路運(yùn)輸，于9日安全運(yùn)抵酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心載人航天發(fā)射場。天宮二號空間實(shí)驗(yàn)室裝載全球首臺空間冷原子鐘、全球首次空地量子密鑰分配試驗(yàn)等14項(xiàng)空間應(yīng)用載荷。
全球首臺空間冷原子鐘
據(jù)新華網(wǎng)3月報道，中國載人航天工程總設(shè)計師周建平此前介紹，天宮二號將搭載全球第一臺冷原子鐘升空，利用太空微重力條件，穩(wěn)定度將高達(dá)10的負(fù)16次方。
超高精度的原子鐘，是衛(wèi)星導(dǎo)航等領(lǐng)域的關(guān)鍵核心技術(shù)。
衛(wèi)星導(dǎo)航的基本原理是，精確測量微波信號從衛(wèi)星到達(dá)目標(biāo)所用的時間，可得衛(wèi)星和目標(biāo)之間的準(zhǔn)確距離。因此，測量時間的精度，直接影響定位準(zhǔn)確度。
常溫下，原子都有大約每秒幾百米的熱運(yùn)動，導(dǎo)致原子和電磁波作用時間短，影響原子鐘的精度。目前GPS和北斗上使用的原子鐘，精度僅到納秒（10的負(fù)9次方秒）級，故民用GPS的導(dǎo)航精度在十幾米左右。
美籍華人朱棣文，1997年以激光冷卻原子技術(shù)獲諾貝爾物理學(xué)獎；1998年6月5日，當(dāng)選為中國科學(xué)院外籍院士 ；2008年12月，擔(dān)任美國能源部長。
上世紀(jì)九十年代，美籍華人朱棣文發(fā)明了激光冷卻原子的技術(shù)，可以用幾束激光把原子團(tuán)冷卻到絕對零度附近，也就是讓原子幾乎一動不動。當(dāng)把這種冷卻后的原子放進(jìn)微波場的時候，原子與微波的作用時間大大加長，使得原子鐘的精度顯著提高。這就是達(dá)到皮秒（10的負(fù)12次方秒）量級的“冷原子鐘”。
但是，原子團(tuán)在進(jìn)入微波場后，由于重力作用，速度很快會變大，從而對冷原子鐘的精確度產(chǎn)生影響。因此，在太空無重力或微重力環(huán)境下的“空間冷原子鐘”，理論上應(yīng)當(dāng)更為精確，這也是天宮二號搭載“空間冷原子鐘”的意義所在。
“空間冷原子鐘”試驗(yàn)若成功，或?qū)⑹埂氨倍穼?dǎo)航”的精度達(dá)到厘米級。
空地量子密鑰分發(fā)試驗(yàn)
據(jù)《錢江晚報》今年6月報道，今年7月，我國將發(fā)射世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，并在世界上首次實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間的量子通信，構(gòu)建一個天地一體化的量子保密通信與科學(xué)實(shí)驗(yàn)體系。
今年9月，量子通信的核心環(huán)節(jié)：密鑰（加密、解密的鑰匙）傳輸實(shí)驗(yàn)，將搭乘天宮二號空間實(shí)驗(yàn)室，上天展開實(shí)驗(yàn)。這意味著，世界上首封絕對不會被截、被破、被復(fù)制的密信，將要誕生。
5月25日，在中科院量子信息與量子科技前沿卓越創(chuàng)新中心內(nèi)的量子模擬實(shí)驗(yàn)室，工作人員正在調(diào)試超冷原子光晶格平臺的激光伺服系統(tǒng)。該平臺可以人工操縱冷原子的量子狀態(tài)，從而模擬一些難以操縱的、復(fù)雜物理系統(tǒng)的機(jī)制。
傳統(tǒng)的通信加密和傳輸安全，都是依賴于復(fù)雜的算法，既建立在現(xiàn)有計算機(jī)計算能力不足的基礎(chǔ)上。然而，全球都在加緊研發(fā)的量子計算機(jī)，將能夠?qū)⒁酝嬎闵习賰|年的計算量，在大約1分鐘內(nèi)完成。可以說，在量子計算機(jī)面前，任何基于算法的加密都是沒有意義的。
然而，量子通信技術(shù)，卻因光量子的物理特性，決定了這種傳輸方式的絕對安全。首先，單光子不可被分割、測量。如果在天上的光子射向地面的過程中被劫持，那么地面上就一定無法再接受到這粒光量子了，這會讓接收方及時警惕情報已被盜。
其次，量子態(tài)不可復(fù)制。處于量子態(tài)的粒子，一旦被復(fù)制，原來的粒子也就毀了。這保證了信息不可被竊聽。
因此，量子通信方式，從原理上確保身份認(rèn)證、傳輸加密以及數(shù)字簽名等的無條件安全，可從根本上、永久性解決信息安全問題。
另據(jù)新華社解讀，在衛(wèi)星成功進(jìn)行多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)后，天地一體化量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)將投入正式運(yùn)行。量子衛(wèi)星首席科學(xué)家、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉透露，“京滬干線”大尺度光纖量子通信骨干網(wǎng)工程，預(yù)計今年下半年交付。
這一工程將構(gòu)建千公里級高可信、可擴(kuò)展、軍民融合的廣域光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)，建成大尺度量子通信技術(shù)驗(yàn)證、應(yīng)用研究和應(yīng)用示范平臺。結(jié)合量子衛(wèi)星和京滬干線，將初步構(gòu)建我國天地一體化的廣域量子通信體系。
據(jù)了解，我國還將陸續(xù)發(fā)射多顆量子衛(wèi)星，力爭在2030年前后率先建成全球化的廣域量子保密通信網(wǎng)絡(luò)。
5月25日，在中國科學(xué)院上海微小衛(wèi)星工程中心，量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星總設(shè)計師朱振才（左）與副總工程師周依林在量子衛(wèi)星旁合影留念。
天宮二號空間實(shí)驗(yàn)室是在天宮一號(微博)備份目標(biāo)飛行器基礎(chǔ)上改進(jìn)研制而成，采用實(shí)驗(yàn)艙和資源艙兩艙構(gòu)型，為滿足推進(jìn)劑補(bǔ)加驗(yàn)證試驗(yàn)需要，對推進(jìn)分系統(tǒng)進(jìn)行 了適應(yīng)性改造；為滿足中期駐留需要，對載人宜居環(huán)境做了重大改善，具備支持2名航天員在軌工作、生活30天的能力，設(shè)計在軌壽命2年。
天宮二號空間實(shí)驗(yàn)室的主要任務(wù)是：接受載人飛船和貨運(yùn)飛船訪問，考核驗(yàn)證航天員中期駐留、推進(jìn)劑補(bǔ)加等空間站工程相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，并開展航天醫(yī)學(xué)、空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)和空間應(yīng)用技術(shù)試驗(yàn)，以及在軌維修試驗(yàn)和空間站技術(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)。
目前，酒泉發(fā)射場設(shè)施設(shè)備狀態(tài)良好，各項(xiàng)準(zhǔn)備工作正按計劃有序進(jìn)行。發(fā)射天宮二號空間實(shí)驗(yàn)室的長征二號FT2火箭，以及發(fā)射神舟十一號載人飛船的長征二號F遙十一火箭，將于8月上旬運(yùn)往酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心。神舟十一號載人飛船已完成出廠測試，執(zhí)行任務(wù)的航天員乘組已完成定選，正在進(jìn)行任務(wù)強(qiáng)化訓(xùn)練。
按計劃，天宮二號空間實(shí)驗(yàn)室將于2016年9月中旬發(fā)射，之后開展在軌測試并建立自主運(yùn)行模式，做好迎接神舟十一號載人飛船訪問的準(zhǔn)備。
