中國科技大學潘建偉教授及其同事彭承志等組成的研究團隊，聯(lián)合中國科學院上海技術(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、國家天文臺、紫金山天文臺、南京天文儀器有限公司、國家空間科學中心等，在中國科學院空間科學戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項的支持下， “墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星在國際上首次成功實現(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)。兩項成果于2017年8月10日同時在線發(fā)表在國際權(quán)威學術(shù)期刊《自然》雜志上。這是繼先前在國際上率先實現(xiàn)千公里級星地雙向量子糾纏分發(fā)和量子力學非定域性檢驗之后（研究成果發(fā)表在《科學》雜志[Science 356,1140(2017)]），我國科學家利用“墨子號”量子衛(wèi)星實現(xiàn)的空間量子物理研究另外兩項重大突破。至此，“墨子號”量子衛(wèi)星提前并圓滿實現(xiàn)全部三大既定科學目標。 

　　中國科學院上海技術(shù)物理研究所是“墨子號”量子衛(wèi)星的有效載荷總體研制單位。研究團隊圍繞建立低損耗、高可靠的星地量子通信鏈路等技術(shù)難題，經(jīng)過多年攻關(guān)，先后突破了星地光路高精度捕獲、跟蹤與瞄準技術(shù)，復(fù)雜光機系統(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等多項關(guān)鍵技術(shù)。為量子衛(wèi)星研制了“量子密鑰通信機”、“量子糾纏發(fā)射機”兩個主載荷，并參與了另兩個重要載荷“量子糾纏源”和“量子實驗控制與處理系統(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)星核心指標的實現(xiàn)和星地量子通信實驗的順利進行。量子密鑰通信機能實現(xiàn)微弧度精度的對地面站跟蹤指向，具備量子密鑰信號產(chǎn)生與發(fā)射功能，量子糾纏信號發(fā)射功能，同時具備量子隱形傳態(tài)單光子接收探測功能。量子糾纏發(fā)射機可以實現(xiàn)大范圍的對地自主高精度跟蹤，與量子密鑰通信機配合將量子糾纏光子對同時發(fā)送給兩個地面站，開展星地量子糾纏分發(fā)實驗。 

　　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錄為百公里量級。根據(jù)數(shù)據(jù)測算，通過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器，也需要數(shù)百萬年才能建立一個比特的密鑰。因此，如何實現(xiàn)安全、長距離、可實用化的量子通信是該領(lǐng)域的最大挑戰(zhàn)和國際學術(shù)界幾十年來奮斗的共同目標。利用外太空幾乎真空因而光信號損耗非常小的特點，通過衛(wèi)星的輔助可以大大擴展量子通信距離。同時，由于衛(wèi)星具有方便覆蓋整個地球的獨特優(yōu)勢，是在全球尺度上實現(xiàn)超遠距離實用化量子密碼和量子隱形傳態(tài)最有希望的途徑。從本世紀初以來，該方向已成為了國際學術(shù)界激烈角逐的焦點。 

　　2011年底，中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科學專項“量子科學實驗衛(wèi)星”正式立項，中國科學技術(shù)大學潘建偉教授作為首席科學家。多個單位的研究團隊經(jīng)過艱苦攻關(guān)，克服種種困難，最終成功研制了“墨子號”量子科學實驗衛(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)過四個月的在軌測試，2017年1月18日正式交付開展科學實驗。 

　　星地高速量子密鑰分發(fā)是“墨子號”量子衛(wèi)星的科學目標之一。量子密鑰分發(fā)通過量子態(tài)的傳輸，在遙遠兩地的用戶共享無條件安全的密鑰，利用該密鑰對信息進行一次一密的嚴格加密，這是目前人類唯一已知的不可竊聽、不可破譯的無條件安全的通信方式。量子密鑰分發(fā)實驗采用衛(wèi)星發(fā)射量子信號，地面接收方式?！澳犹枴绷孔有l(wèi)星過境時，與河北興隆地面光學站建立光鏈路，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個數(shù)量級（萬億億倍）。衛(wèi)星上量子誘騙態(tài)光源平均每秒發(fā)送4000萬個信號光子，一次過軌對接實驗可生成300kbit的安全密鑰，平均成碼率可達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，可以實現(xiàn)地球上任意兩點的密鑰共享，將量子密鑰分發(fā)范圍擴展到覆蓋全球。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）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)域的一個里程碑”，并斷言“毫無疑問將引起量子信息、空間科學等領(lǐng)域的科學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道”。 

　　地星量子隱形傳態(tài)是“墨子號”量子衛(wèi)星的科學目標之一。它利用量子糾纏可以將物質(zhì)的未知量子態(tài)精確傳送到遙遠地點，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。“墨子號”量子衛(wèi)星過境時，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個量子隱形傳態(tài)事例，地面向衛(wèi)星發(fā)射糾纏光子，實驗通信距離從500公里到1400公里，所有60個待傳送態(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）才能觀測到1個事例。這一重要成果為未來開展空間尺度量子通信網(wǎng)絡(luò)研究，以及空間量子物理學和量子引力實驗檢驗等研究奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。《自然》雜志審稿人稱贊“這些結(jié)果代表了遠距離量子通信持續(xù)探索中的重大突破”，“這個目標非常新穎并極具挑戰(zhàn)性，它代表了量子通信方案現(xiàn)實實現(xiàn)中的重大進步”。 

　　“墨子號”量子衛(wèi)星全部三大既定科學目標的成功實現(xiàn)，為我國在未來繼續(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題檢驗前沿研究奠定了堅實的科學與技術(shù)基礎(chǔ)。