中國(guó)科技大學(xué)潘建偉教授及其同事彭承志等組成的研究團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所王建宇研究組、微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院、光電技術(shù)研究所、國(guó)家天文臺(tái)、紫金山天文臺(tái)、南京天文儀器有限公司、國(guó)家空間科學(xué)中心等，在中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)的支持下， “墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星在國(guó)際上首次成功實(shí)現(xiàn)了從衛(wèi)星到地面的量子密鑰分發(fā)和從地面到衛(wèi)星的量子隱形傳態(tài)。兩項(xiàng)成果于2017年8月10日同時(shí)在線(xiàn)發(fā)表在國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志上。這是繼先前在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)千公里級(jí)星地雙向量子糾纏分發(fā)和量子力學(xué)非定域性檢驗(yàn)之后（研究成果發(fā)表在《科學(xué)》雜志[Science 356,1140(2017)]），我國(guó)科學(xué)家利用“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)的空間量子物理研究另外兩項(xiàng)重大突破。至此，“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星提前并圓滿(mǎn)實(shí)現(xiàn)全部三大既定科學(xué)目標(biāo)。 

星地量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，2017年5月拍攝于烏魯木齊南山。多張照片合成了衛(wèi)星過(guò)境的全貌，背景是恒星的星軌。

中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所是“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星的有效載荷總體研制單位。研究團(tuán)隊(duì)圍繞建立低損耗、高可靠的星地量子通信鏈路等技術(shù)難題，經(jīng)過(guò)多年攻關(guān)，先后突破了星地光路高精度捕獲、跟蹤與瞄準(zhǔn)技術(shù)，復(fù)雜光機(jī)系統(tǒng)高保真偏振調(diào)控技術(shù)，近衍射極限量子光發(fā)射以及高效單光子探測(cè)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。為量子衛(wèi)星研制了“量子密鑰通信機(jī)”、“量子糾纏發(fā)射機(jī)”兩個(gè)主載荷，并參與了另兩個(gè)重要載荷“量子糾纏源”和“量子實(shí)驗(yàn)控制與處理系統(tǒng)”的研制工作。發(fā)射后在軌表現(xiàn)性能優(yōu)良，保障了量子衛(wèi)星核心指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)和星地量子通信實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行。量子密鑰通信機(jī)能實(shí)現(xiàn)微弧度精度的對(duì)地面站跟蹤指向，具備量子密鑰信號(hào)產(chǎn)生與發(fā)射功能，量子糾纏信號(hào)發(fā)射功能，同時(shí)具備量子隱形傳態(tài)單光子接收探測(cè)功能。量子糾纏發(fā)射機(jī)可以實(shí)現(xiàn)大范圍的對(duì)地自主高精度跟蹤，與量子密鑰通信機(jī)配合將量子糾纏光子對(duì)同時(shí)發(fā)送給兩個(gè)地面站，開(kāi)展星地量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)。 

量子通信通常采用單光子作為物理載體，最為直接的方式是通過(guò)光纖或者近地面自由空間信道傳輸。但是，這兩種信道的損耗都隨著距離的增加而指數(shù)增加。由于量子不可克隆原理，量子通信的信號(hào)不能像經(jīng)典通信那樣被放大，這使得之前量子通信的世界紀(jì)錄為百公里量級(jí)。根據(jù)數(shù)據(jù)測(cè)算，通過(guò)1200公里的光纖，即使有每秒百億發(fā)射率的單光子源和完美的探測(cè)器，也需要數(shù)百萬(wàn)年才能建立一個(gè)比特的密鑰。因此，如何實(shí)現(xiàn)安全、長(zhǎng)距離、可實(shí)用化的量子通信是該領(lǐng)域的最大挑戰(zhàn)和國(guó)際學(xué)術(shù)界幾十年來(lái)奮斗的共同目標(biāo)。利用外太空幾乎真空因而光信號(hào)損耗非常小的特點(diǎn)，通過(guò)衛(wèi)星的輔助可以大大擴(kuò)展量子通信距離。同時(shí)，由于衛(wèi)星具有方便覆蓋整個(gè)地球的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，是在全球尺度上實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離實(shí)用化量子密碼和量子隱形傳態(tài)最有希望的途徑。從本世紀(jì)初以來(lái)，該方向已成為了國(guó)際學(xué)術(shù)界激烈角逐的焦點(diǎn)。 

2011年底，中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科學(xué)專(zhuān)項(xiàng)“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”正式立項(xiàng)，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授作為首席科學(xué)家。多個(gè)單位的研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)艱苦攻關(guān)，克服種種困難，最終成功研制了“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，并于2016年8月16日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空，經(jīng)過(guò)四個(gè)月的在軌測(cè)試，2017年1月18日正式交付開(kāi)展科學(xué)實(shí)驗(yàn)。 

星地高速量子密鑰分發(fā)是“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星的科學(xué)目標(biāo)之一。量子密鑰分發(fā)通過(guò)量子態(tài)的傳輸，在遙遠(yuǎn)兩地的用戶(hù)共享無(wú)條件安全的密鑰，利用該密鑰對(duì)信息進(jìn)行一次一密的嚴(yán)格加密，這是目前人類(lèi)唯一已知的不可竊聽(tīng)、不可破譯的無(wú)條件安全的通信方式。量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)采用衛(wèi)星發(fā)射量子信號(hào)，地面接收方式?！澳犹?hào)”量子衛(wèi)星過(guò)境時(shí)，與河北興隆地面光學(xué)站建立光鏈路，通信距離從645公里到1200公里。在1200公里通信距離上，星地量子密鑰的傳輸效率比同等距離地面光纖信道高20個(gè)數(shù)量級(jí)（萬(wàn)億億倍）。衛(wèi)星上量子誘騙態(tài)光源平均每秒發(fā)送4000萬(wàn)個(gè)信號(hào)光子，一次過(guò)軌對(duì)接實(shí)驗(yàn)可生成300kbit的安全密鑰，平均成碼率可達(dá)1.1kbps。這一重要成果為構(gòu)建覆蓋全球的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。以星地量子密鑰分發(fā)為基礎(chǔ)，將衛(wèi)星作為可信中繼，可以實(shí)現(xiàn)地球上任意兩點(diǎn)的密鑰共享，將量子密鑰分發(fā)范圍擴(kuò)展到覆蓋全球。此外，將量子通信地面站與城際光纖量子保密通信網(wǎng)（如京滬干線(xiàn)）互聯(lián)，可以構(gòu)建覆蓋全球的天地一體化保密通信網(wǎng)絡(luò)。為此，《自然》雜志的審稿人稱(chēng)贊星地量子密鑰分發(fā)成果是“令人欽佩的成就”和“本領(lǐng)域的一個(gè)里程碑”，并斷言“毫無(wú)疑問(wèn)將引起量子信息、空間科學(xué)等領(lǐng)域的科學(xué)家和普通大眾的高度興趣，并導(dǎo)致公眾媒體極為廣泛的報(bào)道”。 

地星量子隱形傳態(tài)是“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星的科學(xué)目標(biāo)之一。它利用量子糾纏可以將物質(zhì)的未知量子態(tài)精確傳送到遙遠(yuǎn)地點(diǎn)，而不用傳送物質(zhì)本身。量子隱形傳態(tài)采用地面發(fā)射糾纏光子、天上接收的方式?！澳犹?hào)”量子衛(wèi)星過(guò)境時(shí)，與海拔5100m的西藏阿里地面站建立光鏈路。地面光源每秒產(chǎn)生8000個(gè)量子隱形傳態(tài)事例，地面向衛(wèi)星發(fā)射糾纏光子，實(shí)驗(yàn)通信距離從500公里到1400公里，所有60個(gè)待傳送態(tài)均以大于99.7%的置信度超越經(jīng)典極限。假設(shè)在同樣長(zhǎng)度的光纖中重復(fù)這一工作，需要3800億年（宇宙年齡的20倍）才能觀(guān)測(cè)到1個(gè)事例。這一重要成果為未來(lái)開(kāi)展空間尺度量子通信網(wǎng)絡(luò)研究，以及空間量子物理學(xué)和量子引力實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)等研究奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。《自然》雜志審稿人稱(chēng)贊“這些結(jié)果代表了遠(yuǎn)距離量子通信持續(xù)探索中的重大突破”，“這個(gè)目標(biāo)非常新穎并極具挑戰(zhàn)性，它代表了量子通信方案現(xiàn)實(shí)實(shí)現(xiàn)中的重大進(jìn)步”。 

“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星全部三大既定科學(xué)目標(biāo)的成功實(shí)現(xiàn)，為我國(guó)在未來(lái)繼續(xù)引領(lǐng)世界量子通信技術(shù)發(fā)展和空間尺度量子物理基本問(wèn)題檢驗(yàn)前沿研究奠定了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)。