墨子號量子科學實驗衛星
中國量子通信技術實驗衛星
墨子號量子科學實驗衛星，簡稱“墨子號”，首星於2016年8月16日在酒泉用長征二號丁運載火箭成功發射升空。
量子通信技術領域，經過多年努力，中國正從實驗室演示走向產業化，已走在了世界前列。此次發射任務圓滿成功，將使我國在世界上首次實現衛星和地面之間的量子通信，構建天地一體化的量子保密通信與科學實驗體系，標誌著我國空間科學研究和量子通訊技術又邁出重要一步。
墨子號
在量子通信的國際賽跑中，中國屬於後來者。經過多年的努力，中國已經躋身於國際一流的量子信息研究行列，在城域量子通信技術方面也走在了世界前列，建設完成合肥、濟南等規模化量子通信城域網，“京滬幹線”大尺度光纖量子通信骨幹網也即將竣工。
然而，這只是開始。“在城市範圍內，通過光纖構建城域量子通信網路是最佳方案。但要實現遠距離甚至全球量子通信，僅依靠光纖量子通信技術是遠遠不夠的。”潘建偉說。
量子保密通信，能夠從三個方面保障信息安全。第一，發送者和接收者之間的信息交互是安全的，不會被竊聽或盜取。第二，“主僕”身份能夠自動確認，只有主人才能夠使喚“僕人”，而其他人無法指揮“僕人”。第三，一旦發送者和接收者之間的傳遞口令被惡意篡改，使用者會立刻知曉，從而重新發送和接收指令。
原來，用量子通信方式傳遞信息，傳送的是光的最小能量單元。但這種最小的顆粒，不能再被分割，也不能複製。即使採用目前最先進的理想單光子探測器，在1000公里光纖中進行點對點量子通信，每300年也只能傳輸一個比特。“就好比一支擁有100萬人的隊伍，到最後可能只剩下幾個人，花了很長時間才能抵達目的地。”這種受制於光纖，不能放大量子通信信號的問題，導致了在遠距離上信息傳遞效率很低，令科學家們一籌莫展。雖然通過量子中繼手段，即分成若干段傳輸來降低每一段的損耗，用“量子接力”的方式解決這一難題，但走向實際應用還需時日。
後來，科學家意識到，真空里不會有光的損耗，想要實現覆蓋全球的廣域量子保密通信，還需要藉助衛星的中轉。
2005年，潘建偉團隊實現了13公里自由空間量子糾纏和密鑰分發實驗，證明光子穿透大氣層后，其量子態能夠有效保持，從而驗證了星地量子通信的可行性。近幾年開展的一系列後續實驗都為發射量子衛星奠定了技術基礎。
“這樣一來，通過發射衛星，去除干擾因素，就可以實現幾千公里的量子通信。”潘建偉說，有了量子衛星，還可以在宏觀距離上檢驗所謂的量子力學的非局域性，也就是“幽靈般的超距作用”。“看看在實驗室里不斷被重複檢驗的理論，放在太空是否還能實現。”
墨子最早通過小孔成像實驗發現了光是直線傳播的，第一次對光直線傳播進行了科學解釋——這在光學中是非常重要的一條原理，為量子通信的發展打下了一定的基礎。墨子還提出了某種意義上的粒子論。光量子學實驗衛星以中國科學家先賢墨子來命名，體現了中國的文化自信。
量子衛星工程由中科院國家空間科學中心總負責；中國科學技術大學負責科學目標的提出和科學應用系統的研製；中科院上海微小衛星創新研究院抓總研製衛星系統，中科院上海技術物理研究所聯合中科大研製有效載荷分系統；中科院國家空間科學中心牽頭負責地面支撐系統研製、建設和運行；對地觀測與數字地球科學中心等單位參加。
量子衛星2011年12月立項，是中科院空間科學先導專項首批科學實驗衛星之一。工程還建設了包括南山、德令哈、興隆、麗江4個量子通信地面站和阿里量子隱形傳態實驗站在內的地面科學應用系統，與量子衛星共同構成天地一體化量子科學實驗系統。
量子衛星首席科學家潘建偉院士介紹，我國自主研發的量子衛星突破了一系列關鍵技術，包括高精度跟瞄、星地偏振態保持與基矢校正、星載量子糾纏源等。
2016年8月16日凌晨，被命名為“墨子號”的中國首顆量子科學實驗衛星開啟星際之旅。它承載著率先探索星地量子通信可能性的使命，並將首次在空間尺度驗證量子理論的真實性。
量子通信系統的問世，點燃了建造“絕對安全”通信系統的希望。當前，量子通信的實用化和產業化已經成為各個大國爭相追逐的目標。經過多年的努力，中國已經躋身於國際一流的量子信息研究行列。
潘建偉說，因為量子的信息攜帶者光子在光纖里傳播一百公里之後大約只有1‰的信號可以到達最後的接收站，所以光纖量子通信達到百公里量級就很難再突破。但光子穿透整個大氣層后卻可以保留80%左右，再利用衛星的中轉，就可以實現地面上相距數千公里甚至覆蓋全球的廣域量子保密通信。
另外，誕生百年的量子理論的奇妙之處在實驗室里被不斷重複檢驗，但卻從未在太空尺度驗證過。量子理論的各種奇異現象在太空中是否還存在？量子糾纏和隱形傳輸是否可以延伸到星地之間？這些都需要衛星去驗證。
2011年，中科院正式啟動全球首顆“量子科學實驗衛星”的研製，這既意味著中國科學家率先向星地量子通信發起挑戰，更意味著中國或將領先歐美獲得量子通信覆蓋全球的能力。
大事記
2009年12月，空間科學先導專項參加戰略性先導科技專項實施方案評議會，並在16個建議專項中名列前三名。
2011年12月23日，量子科學實驗衛星工程啟動暨動員會在京召開，標誌著量子科學實驗衛星正式進入工程研製階段。
2014年12月30日，量子科學實驗衛星通過初樣轉正樣階段評審，正式轉入正樣研製階段。
2015年12月6日，量子科學實驗衛星系統與科學應用系統完成星地光學對接試驗，驗證了天地一體化實驗系統能夠滿足科學目標的指標要求。
2016年2月25日，量子科學實驗衛星工程完成大系統聯試。
2016年8月16日凌晨1時40分，我國在酒泉衛星發射中心用長征二號丁運載火箭成功將世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”發射升空。
2017年1月18日，世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”在圓滿完成4個月的在軌測試任務后，正式交付中國科學技術大學使用。
2017 年6月16日，中國“墨子號”量子衛星在世界上首次實現千公里量級的量子糾纏，這意味著量子通信向實用邁出一大步。
墨子號量子科學實驗衛星
2017年9月29日，世界首條量子保密通信幹線“京滬幹線”與“墨子號”科學實驗衛星進行天地鏈路，我國科學家成功實現了洲際量子保密通信。這標誌著我國在全球已構建出首個天地一體化廣域量子通信網路雛形，為未來實現覆蓋全球的量子保密通信網路邁出了堅實的一步。
2018年1月，在中國和奧地利之間首次實現距離達7600公里的洲際量子密鑰分發，並利用共享密鑰實現加密數據傳輸和視頻通信。該成果標誌著“墨子號”已具備實現洲際量子保密通信的能力。
2020年5月12日從中國科學技術大學獲悉，該校潘建偉教授及其同事利用“墨子號”量子科學實驗衛星實現安全時間傳遞。這是在國際上首次實現量子安全時間傳遞的原理性實驗驗證，為未來構建安全的衛星導航系統奠定了基礎，將極大地推動量子精密測量相關領域的研究和應用。
墨子號量子科學實驗衛星
墨子號在未來兩年將在世界上首次開展四項實驗任務以達成兩大科學目標：進行經由衛星中繼的“星地高速量子密鑰分發實驗”，並在此基礎上進行“廣域量子通信網路實驗”，以期在空間量子通信實用化方面取得重大突破；（第三目標）及“星地雙向糾纏分發實驗”與“空間尺度量子隱形傳態實驗”，開展空間尺度量子力學完備性檢驗的實驗研究。除了衛星之外，地面上也建設了四個量子通信地面站（分別位於河北興隆、新疆烏魯木齊、青海德令哈、雲南麗江）以及位於西藏阿里的量子隱形傳態實驗站。除此以外，奧地利科學院和維也納大學的科學家也與中國方面合作，在維也納和格拉茨設置了地面站。
2019年2月14日，中國研究人員在美國華盛頓說，“墨子號”量子科學實驗衛星預計將超出預期壽命、繼續工作至少2年以上，並展開更多國際合作。
中國量子衛星實現“一步千里”的世界跨越
量子衛星的成功發射和在軌運行，將有助於我國在量子通信技術實用化整體水平上保持和擴大國際領先地位，實現國家信息安全和信息技術水平跨越式提升，有望推動我國科學家在量子科學前沿領域取得重大突破，對於推動我國空間科學衛星系列可持續發展具有重大意義。
美國波士頓大學的量子物理學家亞歷山大·謝爾吉延科說：“這個事確實很讓人激動，因為它是首次開展此類試驗，因此對全球都有重要意義。量子通信的競賽自1995年歐洲科研人員在日內瓦湖底進行量子密鑰分發的最初演示時就開始了。在那以後，英國、美國、日本和中國等國家都在探索城市間的量子通信網路，而現在這場競賽從地面進入了太空，因為衛星能連接相距遙遠的不同都市。中國在發射量子衛星方面走在了前面。”
中國科學院院士潘建偉研究團隊聯合牛津大學等國內外團隊，通過“墨子號”量子科學實驗衛星，在國際上首次實現千公里級基於糾纏的量子密鑰分發。
我們未來的目標是要實現全球化的量子通信，這就要通過“量子星座”來完成。首先就要利用“墨子號”上已經成熟的技術，把它做到小型化，並使用多顆衛星組網。如果衛星的質量做到50公斤左右，其研製、發射成本會有很明顯的降低。通過三到五顆的這樣的衛星組網就可以覆蓋整個地球。地上的某一個站可以持續一個星期刷新密鑰，在初步的商業應用方面會起到很好的作用了。
量子衛星發射后，天地一體化量子科學實驗系統將投入正式運行，而“京滬幹線”大尺度光纖量子通信骨幹網工程預計2016年下半年交付。
得益於量子保密通信絕對安全性，量子通信不僅應用於百姓日常通信，也可用於水、電、煤氣等能源供給和民生網路基礎設施的通信保障，還可應用於國防、金融、商業等領域，勢必對產業界和科技界產生巨大變革。
2019年1月31日，美國科學促進會宣布，中國科學技術大學潘建偉教授領銜的“墨子號”量子科學實驗衛星科研團隊被授予2018年度克利夫蘭獎，以表彰該團隊通過實現千公里級星地雙向量子糾纏分發推動大尺度量子通信實驗研究做出的貢獻。
