“墨子号”抢占量子科技制高点 实现“领跑者”转变

日前，中国科学院在京召开新闻发布会对外宣布，“墨子号”量子科学实验卫星提前并圆满实现全部三大既定科学目标，为中国在未来继续引领世界量子通信技术发展和空间尺度量子物理基本问题检验前沿研究奠定了坚实的科学与技术基础。

2016年8月16日，中国成功发射首颗量子科学实验卫星“墨子号”。

抢占量子科技创新制高点，实现“领跑者”的转变

中国科学技术大学潘建伟教授及其同事彭承志等组成的研究团队，联合中国科学院上海技术物理研究所王建宇研究组、微小卫星创新研究院、光电技术研究所、国家天文台等，在中国科学院空间科学战略性先导科技专项的支持下，利用“墨子号”量子科学实验卫星，在国际上首次成功实现了从卫星到地面的量子密钥分发和从地面到卫星的量子隐形传态。两项成果于8月10日同时在线发表在国际权威学术期刊《自然》杂志上。这是继先前在国际上率先实现千公里级星地双向量子纠缠分发和量子力学非定域性检验的研究成果发表在《科学》杂志之后，中国科学家利用“墨子号”量子卫星实现的空间量子物理研究另外两项重大突破。

中国科学院院长、党组书记白春礼表示，“墨子号”开启了全球化量子通信、空间量子物理学和量子引力实验检验的大门，为中国在国际上抢占了量子科技创新制高点，成为了国际同行的标杆，实现了“领跑者”的转变。

量子保密通信是唯一已知的不可窃听、不可破译的安全通信方式

通信安全是国家信息安全和人类经济社会生活的基本需求。千百年来，人们对于通信安全的追求从未停止。然而，基于计算复杂性的传统加密技术，在原理上存在着被破译的可能性。随着数学和计算能力的不断提升，经典密码被破译的可能性与日俱增。

通常认为，量子通信主要研究内容包括量子密钥分发（量子保密通信）和量子隐形传态。

量子密钥分发通过量子态的传输，在遥远两地的用户共享无条件安全的密钥，利用该密钥对信息进行一次一密的严格加密，这是目前人类唯一已知的不可窃听、不可破译的无条件安全的通信方式。

“通俗来讲，量子密钥分发，就好比一个人想要传递秘密给另外一个人，需要把存放秘密的箱子和一把钥匙传给接收方。接收方只有用这把钥匙打开箱子，才能取到秘密。没有这把钥匙，别人无法打开箱子，而且一旦这把钥匙被别人动过，传送者会立刻发现，原有的钥匙作废，再给一把新的钥匙，直到确保接收方本人拿到。”潘建伟说。

外太空光信号损耗小，卫星的辅助可以大大扩展量子通信距离

量子通信通常采用单光子作为物理载体，最为直接的方式是通过光纤或者近地面自由空间信道传输。如何实现安全、长距离、可实用化的量子通信，是该领域的最大挑战和国际学术界几十年来奋斗的共同目标。

中国科学院上海技术物理研究所研究员、量子科学实验卫星工程常务副总师、卫星系统总指挥王建宇说：“利用外太空几乎真空因而光信号损耗非常小的特点，通过卫星的辅助可以大大扩展量子通信距离。同时，由于卫星具有方便覆盖整个地球的独特优势，是在全球尺度上实现超远距离实用化量子密码和量子隐形传态最有希望的途径。”

从本世纪初以来，该方向已成为了国际学术界激烈角逐的焦点。潘建伟团队为实现星地量子通信开展了一系列先驱性的实验研究。

为构建覆盖全球的量子保密通信网络奠定可靠的技术基础

此次完成的星地高速量子密钥分发实验是“墨子号”量子卫星的科学目标之一。

潘建伟表示，这一重要成果为构建覆盖全球的量子保密通信网络奠定了可靠的技术基础。以星地量子密钥分发为基础，将卫星作为可信中继，可以实现地球上任意两点的密钥共享，将量子密钥分发范围扩展到覆盖全球。此外，将量子通信地面站与城际光纤量子保密通信网（如合肥量子通信网、济南量子通信网、京沪干线）互联，可以构建覆盖全球的天地一体化保密通信网络。

地星量子隐形传态实验是“墨子号”量子卫星的另一个科学目标之一。彭承志说，这一重要成果为未来开展空间尺度量子通信网络研究以及空间量子物理学和量子引力实验检验等研究奠定了可靠的技术基础。

新华社北京8月10日电(记者 喻菲) 中国科学家在首颗量子科学实验卫星“墨子号”上完成了一项特殊实验：从地面到太空的量子隐形传态。这也是“墨子号”最难做的一项实验，它还常常被人联想到科幻电影《星际迷航》中的超时空传输。它们是一回事吗？

“墨子号”地星量子隐形传态实验，2016年11月摄于西藏阿里，星上绿色信标光将空中的薄云照亮。(中科院供图)

“墨子号”的地星量子隐形传态实验成果10日发表在国际权威学术期刊《自然》杂志上。《自然》杂志审稿人称赞实验结果“代表了远距离量子通信持续探索中的重大突破”， “目标非常新颖并极具挑战性，它代表了量子通信方案现实实现中的重大进步”。

中国科学院院士、量子卫星首席科学家潘建伟说，量子隐形传态是量子通信的一个重要内容，它利用量子纠缠可以将物质的未知量子态精确传送到遥远地点，而不用传送物质本身。

这有点像孙悟空的“筋斗云”，也像《星际迷航》中，宇航员在特殊装置中说一句“发送我吧，苏格兰人”，他就瞬间转移到另一个星球。

当然，这只是个比喻。科学家指出，量子隐形传态实验中，被传输的是信息而并非实物。把粒子A的未知量子态传输给远处的另一个粒子B，让B粒子的状态变成A粒子最初的状态。注意传的是状态而不是粒子，A、B的空间位置都没有变化，并不是把A粒子传到远处。当B获得这个状态时，A的状态也必然改变，任何时刻都只能有一个粒子处于目标状态，所以并不能复制状态，或者说这是一种破坏性的复制。

潘建伟说， “墨子号”量子隐形传态实验采用地面发射纠缠光子、天上接收的方式。卫星过境时与海拔5100米的西藏阿里地面站建立光链路，地面光源每秒产生8000个量子隐形传态事例，实验通信距离从500公里到1400公里，实验传送了6个量子态，置信度均大于99.7%。

“假设在同样长度的光纤中重复这一工作，需要3800亿年，也就是宇宙年龄的20倍，才能观测到1个事例。”潘建伟说。

他说：“这一重要成果为未来开展空间尺度量子通信网络研究，以及空间量子物理学和量子引力实验检验等研究奠定了可靠的技术基础。”

“墨子号”地星量子隐形传态实验，2017年4月摄于西藏阿里。(中科院供图)

潘建伟介绍，在“墨子号”开展的星地高速量子密钥分发、量子纠缠分发和地星量子隐形传态三大实验中，量子隐形传态实验是最难的。因为前两个实验都是从卫星向地面传送光子，在起初的490公里真空中不会受到大气影响，只有最后10公里进入大气层最稠密的部分时会受到影响。但是量子隐形传态实验是从地面向卫星发送光子，最初10公里就受到影响，到后来光斑被放大，抖动特别厉害，接收效率就会大大降低。

量子隐形传态是1993年由六位物理学家联合提出的。1997年，潘建伟的老师、奥地利物理学家塞林格带领的团队首次实现了传送一个光子的自旋。他们在《自然》上发表了一篇题为《实验量子隐形传态》的文章，潘建伟是第二作者。这篇文章后来入选《自然》“百年物理学21篇经典论文”，跟它并列的论文包括伦琴发现X射线、爱因斯坦建立相对论、沃森和克里克发现DNA双螺旋结构等。

2016年12月10日，在西藏阿里观测站，“墨子号”量子科学实验卫星过境，科研人员在做实验(合成照片)。新华社记者 金立旺 摄

事实上，在量子态隐形传态的漫长旅程中，每一点距离的进步都可以被视为一座里程碑。虽然最初的传输距离仅为数米，但美国《科学》杂志的评语是：“尽管想要看到《星际迷航》中‘发送我吧’这样的场景，我们还得等上很多年，但量子态隐形传态这项发现，预示着我们将进入由具有不可思议能力的量子计算机发展而带来的新时代。”

人类想离开太阳系去看看，量子隐形传态能否在未来成为人类星际旅行的方式？

潘建伟指出，传送几十、几百个微观粒子会在不久的将来实现，但要传送复杂的实物现在还是一种科学幻想。人是由10的28次方个粒子组成的，所以人类通过这种方式星际旅行还是个遥不可及的梦想。

2016年12月10日，在西藏阿里观测站，“墨子号”量子科学实验卫星过境，科研人员在做实验(合成照片)。 新华社记者 金立旺摄

但他说，300多年前开普勒给伽利略写了一封信，说人类应该造一艘能够在太空中飞翔的帆船，去探索宇宙的奥秘。大约260年后的1969年，美国阿波罗计划让人类登陆月球成为现实，现在人类飞行器已经到了太阳系的边缘。“我不敢说超时空传送真的能实现，但是科学的发展是不能预测的。”

即使这样的科幻永远无法实现，量子隐形传态研究也是有现实意义的。潘建伟说，量子隐形传态可用于量子计算和量子网络方面的研究。科学家正在研发的量子计算机之间未来要实现互联互通，进行协同计算，就需要量子隐形传态。

新华社北京8月10日电(记者 喻菲) 中国首颗量子卫星“墨子号”在不到一年的时间里就完成了原定两年完成的星地高速量子密钥分发、量子纠缠分发和地星量子隐形传态实验三大科学目标。科学家制订了后续拓展实验计划，进一步探索量子通信技术研究与应用，并筹划发射数颗量子卫星，构建全球量子通信网络。

中国科学家谋划建量子星座(中科院供图)

量子卫星首席科学家、中国科学院院士潘建伟介绍，其团队下一步将与欧洲量子通信团队合作进行洲际量子密钥分发。目前已经顺利完成与奥地利格拉茨地面站的对接测试，正在开展量子密钥分发实验，8月底将具备洲际量子保密通话的条件。

中国将与欧洲开展洲际量子密钥分发(中科院供图)

潘建伟说，中国与德国和意大利等国的洲际量子密钥分发合作也正在计划中。德国、意大利的地面站预计在2017年年底做好开展相关实验的准备。这表明“墨子号”不仅可跟中国的设备对接，也可与世界其他国家符合要求的设备对接。

此外，科研团队还将努力实现量子通信与经典光通信相融合的安全信息传输，与有需求的用户对接，开展量子通信现实应用。

潘建伟说，目前“墨子号”实现的天地量子密钥分发有个前提，就是“墨子号”必须可靠，因为密钥是“墨子号”发送的，如果“墨子号”把密钥泄露出去，那么整个过程就不安全了。

他说，科研团队下一步还要开展基于量子纠缠的远距离量子密钥分发实验。一旦成功，将最终实现所有密码学者梦想的“圣杯”。他希望这项工作今年能够完成。

中国科学家下一步将开展基于纠缠的远距离量子密钥分发(中科院供图)

在更长远的规划中，中国科学家的目标是建立全球化的量子通信网络。

量子卫星工程常务副总师兼卫星总指挥王建宇说，单颗低轨卫星无法直接覆盖全球。目前“墨子号”一次过境开展实验的时间约为10分钟。如果卫星在1万公里的轨道上，那么发送密钥的时间就可持续几个小时。如果卫星在3.6万公里的轨道上，地球的三分之一就能一直看到卫星，这些地方就在任何时候都可以保密通信。所以理论上有三颗高轨卫星就能覆盖全球。

“所以‘墨子号’只是一个起点，从实用的角度来说，必须要构建由高、中、低轨道卫星组成的量子星座，建立覆盖全球的量子通信网络。”王建宇说。

“墨子号”开展量子密钥分发(中科院供图)

然而，目前“墨子号”的量子密钥传输只能在地影区，也就是没有日光干扰的黑夜进行。“我们需要攻克全天时量子通信技术以及获得更高衰减信道下的量子通信能力。这是我们下一步实现全球量子保密通信必须要走的道路。”量子卫星科学应用系统总设计师、卫星系统副总设计师彭承志说。

最近，潘建伟、彭承志等科学家已经在地面实验中取得突破，在国际上首次成功实现白天远距离(53公里)自由空间量子密钥分发。这一突破验证了日光条件下星间和星地之间量子密钥分发的可行性，为未来构建基于量子卫星的星地、星间量子通信网络扫清了一大关键技术障碍。

“这证明卫星组网突破地影区限制是可行的，下一步我们会围绕这个方向进一步开展相关工作。”潘建伟说。

他说：“我们希望通过10年左右的努力，最终能够构建完整的空地一体广域量子通信网络体系，在国防、政务、金融和能源等领域广泛应用，并与经典通信网络实现无缝对接，推动形成具有国际引领地位的战略性新兴产业和下一代国家信息安全生态系统。也希望进一步探索对广义相对论、量子引力等物理学基本原理的检验。”

“如果国家支持发射多颗量子通信卫星，那么有希望到2030年左右，建成全球化的广域量子通信网络。”潘建伟说。

日前，中国科学院在京召开新闻发布会对外宣布，“墨子号”量子科学实验卫星提前并圆满实现全部三大既定科学目标，为中国在未来继续引领世界量子通信技术发展和空间尺度量子物理基本问题检验前沿研究奠定了坚实的科学与技术基础。

2016年8月16日，中国成功发射首颗量子科学实验卫星“墨子号”。

抢占量子科技创新制高点，实现“领跑者”的转变

中国科学技术大学潘建伟教授及其同事彭承志等组成的研究团队，联合中国科学院上海技术物理研究所王建宇研究组、微小卫星创新研究院、光电技术研究所、国家天文台等，在中国科学院空间科学战略性先导科技专项的支持下，利用“墨子号”量子科学实验卫星，在国际上首次成功实现了从卫星到地面的量子密钥分发和从地面到卫星的量子隐形传态。两项成果于8月10日同时在线发表在国际权威学术期刊《自然》杂志上。这是继先前在国际上率先实现千公里级星地双向量子纠缠分发和量子力学非定域性检验的研究成果发表在《科学》杂志之后，中国科学家利用“墨子号”量子卫星实现的空间量子物理研究另外两项重大突破。

中国科学院院长、党组书记白春礼表示，“墨子号”开启了全球化量子通信、空间量子物理学和量子引力实验检验的大门，为中国在国际上抢占了量子科技创新制高点，成为了国际同行的标杆，实现了“领跑者”的转变。

量子保密通信是唯一已知的不可窃听、不可破译的安全通信方式

通信安全是国家信息安全和人类经济社会生活的基本需求。千百年来，人们对于通信安全的追求从未停止。然而，基于计算复杂性的传统加密技术，在原理上存在着被破译的可能性。随着数学和计算能力的不断提升，经典密码被破译的可能性与日俱增。

通常认为，量子通信主要研究内容包括量子密钥分发(量子保密通信)和量子隐形传态。

量子密钥分发通过量子态的传输，在遥远两地的用户共享无条件安全的密钥，利用该密钥对信息进行一次一密的严格加密，这是目前人类唯一已知的不可窃听、不可破译的无条件安全的通信方式。

“通俗来讲，量子密钥分发，就好比一个人想要传递秘密给另外一个人，需要把存放秘密的箱子和一把钥匙传给接收方。接收方只有用这把钥匙打开箱子，才能取到秘密。没有这把钥匙，别人无法打开箱子，而且一旦这把钥匙被别人动过，传送者会立刻发现，原有的钥匙作废，再给一把新的钥匙，直到确保接收方本人拿到。”潘建伟说。

外太空光信号损耗小，卫星的辅助可以大大扩展量子通信距离

量子通信通常采用单光子作为物理载体，最为直接的方式是通过光纤或者近地面自由空间信道传输。如何实现安全、长距离、可实用化的量子通信，是该领域的最大挑战和国际学术界几十年来奋斗的共同目标。

中国科学院上海技术物理研究所研究员、量子科学实验卫星工程常务副总师、卫星系统总指挥王建宇说：“利用外太空几乎真空因而光信号损耗非常小的特点，通过卫星的辅助可以大大扩展量子通信距离。同时，由于卫星具有方便覆盖整个地球的独特优势，是在全球尺度上实现超远距离实用化量子密码和量子隐形传态最有希望的途径。”

从本世纪初以来，该方向已成为了国际学术界激烈角逐的焦点。潘建伟团队为实现星地量子通信开展了一系列先驱性的实验研究。

为构建覆盖全球的量子保密通信网络奠定可靠的技术基础

此次完成的星地高速量子密钥分发实验是“墨子号”量子卫星的科学目标之一。

潘建伟表示，这一重要成果为构建覆盖全球的量子保密通信网络奠定了可靠的技术基础。以星地量子密钥分发为基础，将卫星作为可信中继，可以实现地球上任意两点的密钥共享，将量子密钥分发范围扩展到覆盖全球。此外，将量子通信地面站与城际光纤量子保密通信网(如合肥量子通信网、济南量子通信网、京沪干线)互联，可以构建覆盖全球的天地一体化保密通信网络。

地星量子隐形传态实验是“墨子号”量子卫星的另一个科学目标之一。彭承志说，这一重要成果为未来开展空间尺度量子通信网络研究以及空间量子物理学和量子引力实验检验等研究奠定了可靠的技术基础。

央视网消息：16日出版的《科学》杂志上以封面论文的形式发表了我国量子科研团队的最新研究成果。利用在轨运行的世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”，科学家们近期在国际上率先实现千公里级的星地量子纠缠分发。

　　量子科研团队

近日，中国科学技术大学研究团队，联合中科院上海技术物理研究所、微小卫星创新研究院等多家机构，利用“墨子号”量子科学实验卫星在国际上率先成功实现了千公里级的星地双向量子纠缠分发，即一对光子从卫星上同时发往青海德令哈和云南丽江两个地面实验站，纠缠光子到达两个地面站之后，再进行符合测量，发现量子纠缠特性在1200公里尺度上仍然存在，严格满足“爱因斯坦定域性条件”的量子力学非定域性检验。相关成果于6月16日以封面论文的形式发表在国际权威学术期刊《科学》杂志上。《科学》杂志几位审稿人称赞该成果是“兼具潜在实际现实应用和基础科学研究重要性的重大技术突破”，并断言 “绝对毫无疑问将在学术界和广大的社会公众中产生非常巨大影响”。

　　中国量子卫星科学实验取得重大突破

京华时报讯(记者潘珊菊)昨天，中科院举行新闻发布会介绍全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”的最新进展。据介绍，“墨子号”正在开展为期三个月的在轨测试，目前状态良好，预计11月中旬完成全部在轨测试工作，随后卫星将交付使用，正式开始科学实验。

量子卫星首席科学家潘建伟院士介绍，今年8月16日，量子科学实验卫星“墨子号”在酒泉卫星发射中心成功发射以来，量子科学实验卫星任务计划包括三个部分：发射入轨、在轨测试、开展实验。之前完成的是发射入轨的任务，目前正在开展在轨测试，为期大概三个月。包括三个方面的测试，卫星平台测试、有效载荷测试、星地链路测试。目前卫星平台测试和有效载荷测试已经完成，星地链路测试部分完成。

测试显示，卫星平台方面，电池组状态正常，太阳帆板供电正常；遥控成功率100%；卫星姿控系统运行正常，性能稳定。有效载荷方面，各单机开机检查，状态均正常；载荷内部光轴匹配精度满足任务要求；完成载荷单光子探测专项测试，指标符合预期；完成对所有地面站的跟瞄，稳定性良好，跟踪精度满足要求；纠缠源工作正常，光源亮度等指标满足任务要求。

在星地链路测试方面，卫星完成了与兴隆站、德令哈站、南山站的单站跟瞄测试，建立了星地链路；同时还完成了南山站与德令哈双站跟瞄测试，建立了双边纠缠光链路；此外完成与阿里站的跟瞄测试，建立了隐形传态光链路。“三种不同链路的打通，为量子卫星的三大科学任务打下了基础。目前我们正在进行参数调整和优化，接下来的测试中将寻找最佳工作点以及积累有效数据。”潘建伟说。

量子科学实验卫星“墨子号”的成功发射，将使我国在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信，构建天地一体化的量子科学实验体系。卫星和地面站将共同执行三大科学任务，分别是高速星地量子密钥分发；星地量子纠缠分发，实现大尺度量子非定域性检验；星地量子隐形传态。

央广网北京10月12日消息(记者潘毅)据中国之声《央广新闻》报道，中科院今天上午举行新闻发布会，介绍量子科学实验卫星“墨子号”8月16号发射以来，已开展的部分测试及科学实验情况。

量子卫星首席科学家潘建伟院士介绍，在2016年8月16号，量子科学实验卫星“墨子号”在酒泉卫星发射中心成功发射以来，量子科学实验卫星任务计划包括三个部分：发射入轨，在轨测试，开展实验。之前完成的是发射入轨的任务，目前正在开展在轨测试，为期大概三个月。包括三个方面的测试，卫星平台测试、有效载荷测试、星地链路测试。

目前这个卫星已经完成卫星平台测试的情况，能源监控方面，电池组状态正常，太阳帆板供电正常，充电、放电功能正常。遥控指令与数据注入：遥控成功率100%。

同时姿态控制完成了速率阻尼模式、太阳捕获模式、帆板展开模式、以及对惯性定向模式测试，卫星姿控系统运行正常，性能稳定。

数传通信方面，重要遥测量稳定，符合预期。热控分系统加热回路工作正常，满足要求。星务管理方面，星务计算机状态正常，星务软件运行正常。

同时，卫星已经完成测试，有效载荷各单机开机检查，状态均正常；完成载荷内部光轴自校正测试，光轴匹配精度满足任务要求；完成载荷单光子探测专项测试，单光子探测器暗计数指标符合预期；完成对所有地面站的跟瞄，稳定性良好，跟踪精度满足要求。在天气条件满足跟瞄要求的条件下，对站跟瞄均成功；纠缠源工作正常，光源亮度等指标满足任务要求；载荷指令注入、遥测下传以及科学数据下传均正常。

同时，部分完成天地链路测试，完成与兴隆站、德令哈站、南山站单站跟瞄测试，建立了天地链路；完成南山与德令哈双站跟瞄测试，建立了双边纠缠光链路；完成与阿里站的跟瞄测试，建立了隐形传态光链路。目前正处于参数调整，寻找最佳工作点以及积累有效数据的过程中。在这之后还将完成三项科学任务，高速星地量子密钥分发，星地量子纠缠分发，实现大尺度量子非定域性检验，星地量子隐形传态。

新华社北京8月18日电(记者 吴晶晶)记者18日从中科院获悉，17日11时56分24秒，中科院遥感与数字地球研究所所属中国遥感卫星地面站密云站在第23圈次成功跟踪、接收到我国首颗量子科学实验卫星“墨子号”首轨数据。

“墨子号”于16日1时40分在酒泉卫星发射中心成功发射，它是中科院空间科学战略性先导专项首批科学实验卫星之一，将使我国在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信，构建天地一体化的量子保密通信与科学实验体系。中国遥感卫星地面站的密云站、喀什站和三亚站负责承担“墨子号”数据的接收任务。

据介绍，“墨子号”首轨任务时长约7分钟，接收数据量约202MB。经验证，卫星数据质量良好。这些卫星数据已实时传送至中科院国家空间科学中心。

中国遥感卫星地面站负责中科院空间科学先导专项地面接收系统的建设和运行工作，已经形成我国南－北－西地理布局的近地空间科学卫星接收站网。“墨子号”是继暗物质粒子探测卫星、实践十号卫星之后，我国空间科学卫星系列的第三颗卫星。今后，地面站还将陆续承担我国硬X射线调制望远镜卫星等后续空间科学卫星的数据接收任务。

8月16日凌晨1点40分，由我国科学家自主研制的世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”在酒泉卫星发射中心成功发射。

新华社甘肃酒泉8月16日电题：“墨子号”开启星际首航——全球首颗量子卫星揭秘

新华社记者吴晶晶、杨维汉、徐海涛

16日凌晨，被命名为“墨子号”的中国首颗量子科学实验卫星开启星际之旅。它承载着率先探索星地量子通信可能性的使命，并将首次在空间尺度验证量子理论的真实性。

在量子卫星首席科学家潘建伟院士看来，如果说地面量子通信构建了一张连接每个城市、每个信息传输点的“网”，那么量子科学实验卫星就像一杆将这张网射向太空的“标枪”。当这张纵横寰宇的量子通信“天地网”织就，海量信息将在其中来去如影，并且“无条件”安全。

信息安全的“终极武器”

量子科学，对绝大多数人来说十分高冷。但当它与信息技术相连，就与我们每个人息息相关。当今社会，信息的海量传播背后也充斥着信息泄露的风险。而量子科学则为信息安全提供了“终极武器”。

在物理王国里，量子理论是一个百岁的“幽灵”，爱因斯坦也曾被它的“诡异”所困扰。

在量子世界中，一个物体可以同时处在多个位置，一只猫可以处在“死”和“活”的叠加状态上；所有物体都具有“波粒二象性”，既是粒子也是波；两个处于“纠缠态”的粒子，即使相距遥远也具有“心电感应”，一个发生变化，另一个会瞬时发生相应改变……

正是由于量子具有这些不同于宏观物理世界的奇妙特性，才构成了量子通信安全的基石。在量子保密通信中，由于量子的不可分割、不可克隆和测不准的特性，所以一旦存在窃听就必然会被发送者察觉并规避。

“传统的信息安全都是依赖于复杂的算法，只要计算能力足够强大，再复杂的保密算法都能够被破解。量子通信能做到绝对安全，是由量子自身的特性所决定的，计算能力再强也破解不了，因此它是革命性的，可从根本上、永久性解决信息安全问题。”潘建伟说。

量子通信系统的问世，点燃了建造“绝对安全”通信系统的希望。当前，量子通信的实用化和产业化已经成为各个大国争相追逐的目标。

在量子通信的国际赛跑中，中国属于后来者。经过多年的努力，中国已经跻身于国际一流的量子信息研究行列，在城域量子通信技术方面也走在了世界前列，建设完成合肥、济南等规模化量子通信城域网，“京沪干线”大尺度光纤量子通信骨干网也即将竣工。

然而，这只是开始。“在城市范围内，通过光纤构建城域量子通信网络是最佳方案。但要实现远距离甚至全球量子通信，仅依靠光纤量子通信技术是远远不够的。”潘建伟说。

他解释说，因为量子的信息携带者光子在光纤里传播一百公里之后大约只有1‰的信号可以到达最后的接收站，所以光纤量子通信达到百公里量级就很难再突破。但光子穿透整个大气层后却可以保留80%左右，再利用卫星的中转，就可以实现地面上相距数千公里甚至覆盖全球的广域量子保密通信。

另外，诞生百年的量子理论的奇妙之处在实验室里被不断重复检验，但却从未在太空尺度验证过。量子理论的各种奇异现象在太空中是否还存在？量子纠缠和隐形传输是否可以延伸到星地之间？这些都需要卫星去验证。

2011年，中科院正式启动全球首颗“量子科学实验卫星”的研制，这既意味着中国科学家率先向星地量子通信发起挑战，更意味着中国或将领先欧美获得量子通信覆盖全球的能力。

“四种武器”挑战四大实验任务

目前，国际上还没有一个国家将量子科学实验送入空间，量子卫星的研制没有任何经验可循，过程充满了困难和挑战。

科学家在量子卫星上搭载了自主研发的“四种武器”：量子密钥通信机、量子纠缠发射机、量子纠缠源和量子试验控制与处理机。

同时，在地面建设了科学应用系统，包括1个中心——合肥量子科学实验中心；4个站——南山、德令哈、兴隆、丽江量子通信地面站；1个平台——阿里量子隐形传态实验平台。

卫星与地面站共同构成天地一体化量子科学实验系统，在两年的设计寿命期间将进行四大实验任务——星地高速量子密钥分发实验、广域量子通信网络实验、星地量子纠缠分发实验、地星量子隐形传态实验。

潘建伟介绍，实验大致分为三类：第一类是进行卫星和地面之间的量子密钥分发，实现天地之间的安全通信，如果4个地面站任何两两之间都可以实现安全的通讯，即可实现组网；第二类相当于把量子实验室搬到太空，在空间尺度检验量子理论；第三类是实现卫星和地面千公里量级的量子态隐形传输。

天地量子科学实验非常复杂，对天地实验设备的要求也异乎寻常的高。潘建伟坦言，卫星研制过程中，最困难的环节就是有效载荷，“攻克了许多技术难题才拿下”。

比如量子纠缠源，它只有机顶盒的大小，作用却非常关键，它能够产生纠缠光，这是量子卫星在空中做各种实验的源头。平时实验室里纠缠源的体积非常巨大，研究人员不仅把它做到了小型化，还通过一系列的创新让它实现了满足空间环境要求，在国际上是首次实现。

量子卫星对精准控制的要求也前所未有的高。量子卫星系统总师朱振才介绍，量子卫星飞行中，携带的两个激光器要分别瞄准两个相距上千公里的地面站，向左向右同时传输量子密钥，且卫星上的光轴和地面望远镜的光轴要始终精确对准，就好比卫星上的“针尖”对地面上的“麦芒”。

科研团队进行了各种实验，考验超远距离“移动瞄靶”能力，最终突破了星地光路对准等关键技术，通过平台和载荷两级控制的方式，对准精度可以达到普通卫星的10倍。

“激光器一站对一站有人做过，但一颗卫星对准两个地面站国际上还从来没有过。如果成功的话，在国际上也是首次实现这么高精度的跟踪和地面站配合。”中科院国家空间科学中心主任吴季说。

“量子星群”引领量子互联网时代

此刻，量子卫星已在太空轨道上翱翔。而它最初的构想，始于十几年前。

2001年，31岁的潘建伟从欧洲回国，在中科大组建了量子信息实验室。2003年，当大多数人仍致力于在实验室内部的原理性演示时，潘建伟和同事们已经萌生了“天地一体化”量子通信网的初步构想，“量子科学实验卫星”正是这个构想中的关键节点。

“工欲善其事，必先利其器”。围绕这一远景目标，潘建伟团队开始了十余年的技术积累。他带领团队在自由空间量子密钥分发、量子纠缠分发和量子隐形传态实验等方面不断取得国际领先的突破性成果。

2005年，潘建伟团队在世界上第一次实现13公里自由空间量子通信实验，证实光子穿透大气层后，其量子态能够有效保持，从而验证了星地量子通信的可行性。

随后，他们又不断创造“传奇”：16公里自由空间量子隐形传态、百公里级自由空间量子通信、星地量子通信的全方位地面验证实验……为星地量子通信打下了坚实基础。

经过十多年的发展，中国在量子通信领域已成为名副其实的世界劲旅。而这十多年间，从构想、攻关、立项到突破，人类历史上第一颗量子通信卫星终成现实。

潘建伟说，“墨子号”发射以后，如果效果达到预期，下一步还计划发射“墨子二号”“墨子三号”。“单颗低轨卫星无法覆盖全球，同时由于强烈的太阳光背景，目前的星地量子通信只能在夜间进行。要实现高效的全球化量子通信，还需要形成一个卫星网络。”

未来，一个由几十颗量子卫星组成的“璀璨星群”，将与地面量子通信干线“携手”，支撑起“天地一体”的量子通信网。

到2030年左右，中国力争率先建成全球化的广域量子保密通信网络。在此基础上，构建信息充分安全的“量子互联网”，形成完整的量子通信产业链和下一代国家主权信息安全生态系统。

“安全的通信是属于我们的，但是科学研究是面向全世界开放的。”潘建伟透露，第一个开放的项目是与奥地利科学院合作，实现北京和维也纳之间的洲际量子保密通讯，之后将和更多国家合作开展量子信息技术方面的研究。

继量子卫星之后，潘建伟团队还计划开展空间站“量子调控与光传输研究”项目，研究星间量子通信技术等，同时进行量子密钥组网应用等研究，为下一步卫星组网奠定技术基础。

“随着中国科技的迅猛发展，我相信量子通信将在10年左右时间辐射千家万户。期盼在我有生之年，能亲眼目睹以量子计算为终端、以量子通信为安全保障的量子互联网的诞生。”潘建伟说，“我相信中国科学家们做得到。”