“墨子號”構建了“天地一體化”量子保密通信體系

在浩瀚星空里，有一顆衛星獨一無二，它在世界上首次實現衛星和地面之間的量子通信，初步構建了“天地一體化”量子保密通信體系。它就是由中國自主研制的量子科學實驗衛星“墨子號”。

從2003年萌發量子衛星通信的想法，到2017年“墨子號”預定科學實驗任務全部完成，中國科學家經過了14年的努力。從跟跑、并跑到領跑的漂亮“沖刺”背后，是他們追求原創、銖積寸累、協同攻關的故事。

中國科學院院士、中國科學技術大學（以下簡稱中國科大）教授潘建偉介紹，不久的將來，星空上還將出現“量子星座”，形成覆蓋全球、全天時服務的量子通信網絡。科學家甚至可能將量子實驗搬上月球，在地球和月球之間建立起超長的量子糾纏分發，更加深入地探索量子物理基本原理。

1?“一個瘋狂的設想”

1996年，從中國科大碩士畢業的潘建偉，前往奧地利攻讀博士學位。導師蔡林格見到他問的第一個問題是：“你的夢想是什么？”潘建偉脫口而出：“我將來想在中國建一個像您這里一樣的實驗室，世界一流的量子光學實驗室?！?

1997年在蔡林格的實驗室，潘建偉與同事首次在國際上實現了量子遠程傳態，也稱量子隱形傳態。這一成果被認為是量子信息實驗研究的開山之作，直觀地向人們展示了量子力學的神奇。

隨后，量子信息在國際上蓬勃發展。潘建偉在與量子“糾纏”的同時，首先想到的是立足國內。然而，那時國內的量子信息研究幾乎一片空白，不僅少有人懂，有時甚至還被認為是“偽科學”。

2001年，在完成多個量子信息領域奠基性實驗工作之后，31歲的潘建偉決定回國，在中國科大組建量子物理與量子信息實驗室，獨立開展量子信息研究。

雖然是從零開始，但實驗室在組建之初就得到中國科學院、中國科大、國家自然科學基金委員會等機構的大力支持，所以發展非?？臁H2003年一年，潘建偉研究組就作為第一單位在國際高水平期刊《物理評論快報》發表7篇論文。

但潘建偉想做的事不只是發論文，他還要把論文中的藍圖變成現實。彼時，他有了“一個瘋狂的設想”——利用衛星實現遠距離量子糾纏分發。

通信安全是國家信息安全和人類經濟社會生活的基本需求。千百年來，人們對通信安全的追求從未停止。量子通信作為目前唯一已知的信息論可證的安全傳輸方式，可以大幅提高信息安全水平，也是量子信息領域最接近實用化的一個方向。

潘建偉介紹，之所以需要發射衛星來建立天地間量子通信網絡，是因為地面光量子信號的傳輸主要以光纖為信道，而光纖傳輸過程中信號損失相當嚴重。實驗表明，光纖傳輸的量子通信信號在200公里以外就幾乎被吸收殆盡。如果想實現遠距離量子通信傳輸，就必須建立多個需要人為保障安全的可信中繼站，這無疑增加了信息被竊取的概率。

而外太空幾乎是真空，光信號損耗非常小，利用量子衛星作為中轉站，可以將多個城市的城域量子通信網絡連接起來，極大地延長量子通信距離。

在本世紀初，該方向就已成為國際學術界激烈角逐的焦點。誰能拔得頭籌，就意味著誰能占據量子通信的制高點。

“過去，我們在科研領域常常扮演追隨者和模仿者的角色，研究方向的選定、科研項目的設立都先要看看國際上有沒有人做過。量子信息是一個全新學科，我們必須學會和習慣做開拓者。”潘建偉說。

潘建偉（前排中）實驗團隊在討論數據。

2?年輕的“先遣部隊”

要實現星地間量子糾纏分發，第一步就是要驗證實驗發出的光子能否穿透等效厚度為10公里的大氣層。

2003年，當時還是博士生的彭承志被潘建偉委以重任，“你工程能力強，大膽去試試”。潘建偉還建議他“可以到大蜀山去做”。

一年后，彭承志與同事在安徽合肥大蜀山完成了中國空間量子通信領域的“開山之作”——全球首次13公里自由空間量子糾纏分發和量子通信實驗，證實了量子糾纏在穿透大氣層后依然能夠保留。

這次實驗結果給了潘建偉很大的信心。2006年，他鄭重地向中國科學院提出那個“瘋狂設想”，并得到了院黨組和主管部門的支持。

2007年，中國科學院超常規地啟動了兩個知識創新工程重大項目“遠距離量子通信實驗研究”和“空間尺度量子實驗關鍵技術與驗證”。此后，在這兩大項目的支持下，潘建偉團隊對自由空間量子實驗關鍵技術進行了大量研究。

從2007年4月開始，他們在北京八達嶺長城附近和河北省張家口市懷來縣古城遺址之間搭起通信平臺，用兩年時間完成了16公里的自由空間量子隱形傳態實驗。這是當時世界上距離最遠的量子隱形傳態實驗。

2009年，正在讀博士的印娟與同事一起在海拔3200米以上的青海湖搭帳篷、做實驗。這次，他們要模擬量子信號在星地間傳輸的超高幾何損耗，實驗點就在青海湖中的小島“海心山”上。

然而，由于設備穩定性差、技術不成熟等因素，這次實驗一直沒能取得預期效果。加上海心山不對外開放，生活和交通都不方便。他們只得先行返回中國科大實驗室，重新調整方案。

2010年，印娟等人滿懷信心再上青海湖，從6月盛夏堅持到11月飄雪時節，最終在國際上首次實現百公里級量子隱形傳態和量子糾纏分發，充分驗證了在高損耗的星地鏈路中實現量子通信的可行性。

“在小島上，青海湖管理局的工作人員每個月開船給大家送一次生活補給，比如土豆、雞蛋這些好保存的食材，以及飲用水，最重要的是設備用發電機所需的柴油。因為沒有條件洗澡，大家裹軍大衣、蓬頭垢面是常態?！庇【暾f，這是一段艱苦又難忘的時光。

駐守在海心山上的研究人員。

緊接著，他們又模擬了衛星-地面之間的量子通信。他們想了很多辦法，如把設備安裝在吊車、卡車上，或者讓設備隨著熱氣球升空，甚至還利用飛機進行了角速度模擬實驗。經過一系列模擬實驗，他們驗證了高精度捕獲跟瞄技術、高靈敏能量分辨探測技術、星載量子光源技術等。

“上述實驗都在2011年左右結束，系列實驗成果在‘墨子號’立項論證過程中起到至關重要的作用，關鍵技術最終用在了‘墨子號’上?！迸私▊フf。

潘建偉說：“我們對年輕人的態度就是，只要能干、愿意干，就放手讓他們去干，讓他們在摸爬滾打的實踐中得到成長?！?

3?聯合團隊協同攻關

2011年1月25日，潘建偉團隊迎來一個關鍵轉折點——中國科學院啟動戰略性先導科技專項“空間科學”，“量子科學實驗衛星”等4顆科學衛星入選。

2011年12月，量子科學實驗衛星工程立項綜合論證報告通過專家評審。中國科學院在北京召開會議，審議了工程總體方案及六大系統總體方案的可行性，明確了工程研制建設的主要問題、工程的總體計劃安排。

量子科學實驗衛星工程由中國科學院國家空間科學中心抓總負責；中國科大負責科學目標的提出和科學應用系統的研制；中國科學院上海微小衛星工程中心（中國科學院上海微小衛星創新研究院前身）抓總研制衛星系統，中國科學院上海技術物理研究所聯合中國科大研制有效載荷分系統；中國科學院國家空間科學中心牽頭負責地面支撐系統研制、建設和運行，對地觀測與數字地球科學中心等單位參與。

量子科學實驗衛星的科學目標，一是進行星地高速量子密鑰分發實驗，在此基礎上進行廣域量子密鑰網絡實驗；二是在空間尺度進行量子糾纏分發和量子隱形傳態實驗，開展空間尺度量子力學完備性檢驗的實驗研究。

潘建偉介紹：“第一條是基本目標，完成即告成功。而第二條是拓展目標和探索目標。”

就這樣，早期的“瘋狂設想”一步步變成了一個個具體方案、一沓沓圖紙，以及一個個時間節點。

中國科學院上海技術物理研究所研究員、“墨子號”工程常務副總設計師兼衛星系統總指揮王建宇也在這時與潘建偉團隊結下了不解之緣。做工程出身的他，最初被潘建偉的想法“嚇了一跳”。

“我們的工作是把潘建偉的想法搬到天上去，把天空和大地——幾千萬平方公里變成一個大實驗室?！蓖踅ㄓ钫f，當時他們列了六七件最難的事兒。

中國科學院微小衛星創新研究院研究員、量子衛星系統總師朱振才剛接觸量子衛星工程時，直覺告訴他，“這是一項前所未有的、挑戰技術極限的尖端空間任務”。

量子衛星成功的關鍵是確保衛星上發出兩束非常狹窄的微弱光束，準確地照射到兩臺相距千公里的地面望遠鏡上。與一般衛星不同，量子衛星平臺需要克服轉臺和轉鏡兩套運動模式不同的光學載荷運動干擾、姿控飛輪微振動干擾、高速飛行衛星的位置速度誤差、空間環境干擾等因素引起的光束方向抖動，只依靠載荷無法使光束準確、穩定地照射到地面望遠鏡上。

“我們采用衛星平臺-載荷一體化協同分級控制技術，利用衛星平臺姿控系統消除大氣、溫度等對量子光束范圍大、變化慢的干擾，使量子光束保持粗略對準地面望遠鏡，再利用衛星平臺結構削弱變化較快的微振動干擾。最后利用載荷的粗跟蹤、精跟蹤兩級控制，使光束在小范圍內精準地照射到地面望遠鏡，最終攻克了這項技術難題。”朱振才解釋說。

做科學實驗要創新，要發現未知的東西，想法可以更加大膽。但做工程，他們要確保任務成功。

所以在衛星具體研制階段，科學家與工程師團隊在具體細節落實上，沒少對坐在會議桌前“拍桌子”。

“后來我們達成了一個共識——采用‘首席科學家+工程總指揮+工程總師’的決策組織模式解決問題。遇到分歧，大家一起拍板。”潘建偉說，“首席科學家+兩總”的模式，在類似科研任務中一直延續了下來。

“科學團隊確保工程實施始終瞄準科學目標，配合工程團隊厘清相關科學原理。工程團隊突破關鍵技術，精心完成衛星設計、制造和驗證，確保衛星性能優異、工作可靠、質量過硬?！敝煺癫耪f。

最終，經過5年艱苦攻關，量子科學實驗衛星終于被成功研制出來。

4?夢想照進現實

激動人心的時刻到了。2016年8月16日，世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”在酒泉衛星發射中心發射升空，中國率先將量子科學實驗衛星的設想變成了現實。

2016年8月16日，世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”在酒泉衛星發射中心發射升空。

這顆衛星被命名為“墨子號”，其背后大有深意。歷史記載，墨子早在2000多年前就進行了光學實驗，發現光線沿直線傳播，繪制了凹面反射鏡光聚焦、小孔成像等光路圖，還測試計算了水的折射率?！熬拖駠庥匈だ孕l星、開普勒望遠鏡一樣，以中國古代偉大科學先賢的名字來命名全球首顆量子衛星，可以增強我國的文化自信和科研自信?！迸私▊フf。

經過4個月的在軌測試，2017年1月18日，“墨子號”正式交付中國科大開展科學實驗。

2017年6月16日，“墨子號”迎來升空后第一個重大成果，在國際上首次完成千公里級星地雙向量子糾纏分發實驗，并在此基礎上完成了空間尺度下嚴格滿足“愛因斯坦定域性條件”的量子力學非定域性檢驗。

2017年6月16日，千公里級星地量子糾纏分發實驗登上《科學》封面。

2017年8月10日，“墨子號”再次完成兩項重大突破，在國際上首次成功實現從衛星到地面的千公里級量子密鑰分發和地面到衛星的千公里量子隱形傳態。

“墨子號”提前并圓滿實現全部三大既定科學目標，為我國繼續引領世界量子通信技術發展和空間尺度量子物理基本問題檢驗前沿研究奠定了堅實的科學與技術基礎。

2017年9月29日，中國科學院與奧地利科學院兩個量子科學研究團隊利用“墨子號”，開展了北京-維也納距離長達7600公里的洲際量子密鑰分發，打通了天地一體化量子保密通信鏈路，向實現覆蓋全球的量子保密通信網絡邁出了堅實的一步。

5?“群星”璀璨閃耀星空

這顆備受世界矚目的“墨子號”衛星自發射升空起，就獲得了諸多榮譽。

國家主席習近平在2017年新年賀詞中，特別提到“墨子號”飛向太空等科技重大進展；2017年10月，黨的十九大報告提到“墨子號”升空；在2021年中國共產黨成立100周年之際，中央黨史和文獻研究院編寫的《中國共產黨一百年大事記》，“墨子號”升空被納入其中。

“墨子號”成功發射和完成科學實驗任務還分別入選了兩院院士評選的2016年和2017年“中國十大科技進展新聞”。因“墨子號”升空而取得重大進展的“廣域量子通信”項目研究團隊，獲得2019年度中國科學院杰出科技成就獎。

“墨子號”項目的實施還在國際上引發了一波“量子”潮。

2017年，美國宇航局發布關于未來空間量子物理發展的白皮書，以期在新一輪空間量子科學發展中重新實現“美國領先”。同期，歐洲航天局也發布了空間量子技術白皮書。

2021年6月，《科學》發表社論稱，中國的“墨子號”給美國政府敲響了警鐘，最終使得美國在2018年通過《國家量子行動法案》。

到目前為止，“墨子號”還在辛勤地工作?？茖W家利用它進行了一系列拓展實驗，相關成果不斷刷新量子通信距離的世界紀錄，使中國牢牢占據空間量子科學研究領域的引領地位。

“墨子號”過境新疆烏魯木齊南山站全貌。中國科大供圖?

面向未來，量子還可以走得更遠。

潘建偉介紹，在不久的將來，天上會有中高軌量子衛星和實用化的低軌微納衛星組成的“量子星座”，能夠更高效覆蓋全球并鏈接移動目標?！傲孔有亲焙偷孛嫔系墓饫w量子網絡連接在一起，就可以構建實用的全球化廣義量子保密通信網絡。

“第一顆低成本的量子微納衛星已經在2022年7月發射成功。我們還在研制一顆中高軌量子科學實驗衛星，希望在2026年底具備發射條件?！迸私▊フf。

“量子星座”誕生后，量子科技將迎來更多可能，時間單位“秒”的重新定義、量子引力乃至引力波探測等方面的研究也將隨之展開。在可預見的未來，地月量子糾纏分發不再是純粹的夢想。

腳踏實地，仰望星空。潘建偉說：“我們對未來充滿希望?！?

（原載于《中國科學報》?2024-08-19?第4版?專題）