墨子号领跑量子太空竞赛

　8月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、接收到世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”首轨数据。 “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，并已实时传送至中科院国家空间科学中心。

8月16日1时40分，由中国科学技术大学主导研制的世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”成功发射升空。“墨子号”是中科院空间科学先导专项中首批确定立项研制的4颗科学实验卫星之一，它的成功发射和在轨运行，不仅将助力我国广域量子通信网络的构建、服务国家信息安全，还将开展对量子力学基本问题的空间尺度实验检验，加深人类对量子力学的理解。

未雨绸缪 厚积薄发

“量子通信是理论上不可攻破的通信技术。 ”中科大教授陆朝阳表示，量子通信用一个光量子传递信息时，由于单光子已是最小单元，窃听者无法通过截取“半个光子”来获取信息；而窃听者试图对这个光子的状态进行测量时，量子测不准原理又导致这个光量子的状态发生改变，这使窃听必然被察觉并被通信双方规避。

量子通信基于量子力学的基本原理，克服了经典加密技术内在的安全隐患，是迄今为止唯一被严格证明无条件安全的通信方式，可从根本上解决国防、金融、政务、商业等领域的信息安全问题。当前，由于中科大教授、中科院院士、量子科学实验卫星首席科学家潘建伟团队多年的积累，基于光纤的城域和城际量子通信技术正在走向实用化和产业化，我国在量子通信领域已经走在世界前列。但由于光纤的固有损耗以及单光子状态的不可复制性，目前点对点光纤量子通信的距离难以突破百公里量级。实现广域乃至全球化的量子通信网络，必须借助卫星的中转。

科学研究“厚积”方能“薄发”。从2003年起，潘建伟团队就在国际上率先开展远距离自由空间量子通信实验研究。 2004年底，他们在合肥市大蜀山实现13公里自由空间的量子纠缠分发和量子密钥分发，在国际上首次证实光子纠缠态在穿透大气层后，其量子性质仍然能有效保持，验证了星地量子通信的可行性。

此后，在“远距离量子通信实验研究”和“空间尺度量子实验关键技术与验证”两个中科院知识创新工程重大项目的支持下，他们联合中科院上海技术物理研究所、中科院微小卫星工程中心等单位，开展了一系列关键技术突破与地面验证实验，先后实现16公里自由空间量子隐形传态、100公里级自由空间量子隐形传态和双向量子纠缠分发、星地量子通信的全方位地基验证等重要实验，为实现星地量子通信奠定坚实的科学与技术基础。

瞄准目标 领跑竞赛

“我相信量子技术在21世纪的重要性可与上个世纪的曼哈顿计划相比。 ”潘建伟说。这意味着，量子技术可能像曼哈顿计划造出原子弹那样改变世界格局。我国成功发射全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”后，国际权威学术刊物《自然》杂志相关报道说，中国在这场“特殊的太空竞赛”中走在了前面。美国物理学会会士、加州大学洛杉矶分校物理学家姜弘文表示，全球首颗量子卫星的成功发射，表明中国正成为量子科学和技术国际研究中的 “发动机”，中国最新研发的技术是最前沿且极具挑战的，是量子通信技术发展的重要里程碑。

刚刚升空的“墨子号”，重量约640公斤，设计寿命2年，运行在高度约500公里的极地轨道。目前，“墨子号”已进入预定轨道，开始为期约3个月的在轨测试。平台和载荷各单机加电自检已完成，正在进行卫星平台的测试工作，后续将开展有效载荷的自测试、地面站配合的载荷测试、天地一体化链路测试等工作。所有测试完成后，将在首席科学家潘建伟的领导下，由科学应用系统组织完成星地高速量子密钥分发、广域量子通信网络、星地量子纠缠分发以及地星量子隐形传态等多项科学实验任务，实现专项预定的科学目标。

中科院战略性先导科技专项“量子科学实验卫星”，最早由中科大于2011年底牵头提出并策划，潘建伟院士担任首席科学家。量子卫星建设和研制任务，包括卫星系统、运载火箭系统、发射场系统、地面支撑系统、测控系统和科学应用系统6大系统。中科大牵头负责确立整个专项的科研目标、总体技术目标和总体实验基本方案，负责科学应用系统的研制，并与中科院上海技术物理研究所合作完成有效载荷研制，包括负责研制量子纠缠源、量子实验控制与处理机，参与研制量子密钥通信机、量子纠缠发射机；上海微小卫星工程中心负责卫星平台研制；中科院国家天文台和中科院光电技术研究所负责量子通信地面站建设。量子卫星突破了同时瞄准两个地面站的高精度星地光路对准、星地偏振态保持与基矢校正、星载量子纠缠源等一系列关键工程技术。

中科院的前瞻布局和快速决策，使得在量子通信太空竞赛中，中国开始领跑全球。中科大相关负责人表示，以潘建伟团队为代表的中国量子通信研究力量已得到世界认可，奥地利科学院院长、维也纳大学教授 AntonZeilinger领导的研究团队曾主动请求加入到我国的量子卫星项目中开展合作研究。在中科院与奥地利科学院的合作框架下，“墨子号”将实现北京与维也纳之间的洲际量子密钥分发。继奥地利之后，德国、意大利、加拿大等国也纷纷请求加入国际合作，中科大也即将与这些国家签署协议，共同探索全球化的量子通信。

天地一体 前景可期

全球首颗量子科学实验卫星，为何命名为“墨子号”？潘建伟说：“墨子不仅是我国历史上著名的哲学家，也是非常重要的科学家。他设计了世界上第一个小孔成像实验，验证了光沿直线传播这一光学基本定理，在一定程度上为后来的光学发展奠定了基础。因此，以‘墨子’来命名，既与量子卫星的使命相符，也体现了我们的文化自信。 ”

“中国量子卫星还可能为科学理论研究带来新的突破。 ”陆朝阳表示，“墨子号”的成功发射，标志着我国空间科学研究又迈出重要一步，将有助于我国在量子通信技术实用化整体水平上保持和扩大国际领先地位，实现国家信息安全和信息技术水平跨越式提升，有望推动我国科学家在量子科学前沿领域取得重大突破。

正如英国《自然》杂志所评论：“在量子通信领域，中国从十年前不起眼的国家发展为现在的世界劲旅，将领先于欧洲和北美。 ”令人振奋的消息，屡屡传来。今年底，由中科大牵头承担的国家发改委“京沪干线”广域量子通信骨干网络工程也将建成并全线开通。京沪干线将建成连接北京、上海，贯穿济南、合肥等地，全长约2000公里的大尺度量子通信技术验证、应用研究和应用示范平台。结合量子科学实验卫星和京沪干线，将初步构建我国天地一体化的广域量子通信网络基础设施，为推动量子通信技术的深入应用、形成战略性新兴产业奠定坚实的基础。

量子卫星的成功发射和量子京沪干线的即将建成，并不意味着潘建伟团队可以稍事休息，实际上这条征程才刚刚开始。潘建伟心中的时间表，已经排到了2030年。目前，单颗低轨卫星无法覆盖全球，同时由于强烈的太阳光背景，星地量子通信只能在地影区进行，实现高效的全球化量子通信，还需要形成一个卫星网络。 “随着中国科技的迅猛发展，我相信量子通信将在不到10年时间里辐射千家万户。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，“相信中国科学家做得到。 ”（桂运安）