示意圖 衛星發出一對糾纏光子，兩個站同時收到。
經過十三年準備，“墨子號”終于成功升空。
“墨子號”是世界上首顆量子科學實驗衛星。量子衛星首席科學家、中科院院士潘建偉說，給它起名“墨子”，是因為墨子首先通過小孔成像實驗發現了光沿直線傳播，而且他也提出了某種意義上的“粒子論”。
帶著中國先賢的名字，這顆衛星于凌晨發射至高度為500公里的預定軌道。半夜發射一顆太陽同步衛星，是為了保證它每次飛過中國上空都在夜間，夜間試驗可以規避光線干擾。
那么，量子衛星的前世今生是什么？它是否會成為世界量子通信研究領域最亮的“星”？
量子衛星設想由來已久
“2003年，我們想到，為了真正實現遠距離量子通訊，可能需要衛星。”8月15日，東風航天城的東風賓館，潘建偉面對媒體回憶起量子衛星想法的誕生。
那時，距離潘建偉在中國建立第一個光量子操縱實驗室，僅僅兩年。
量子有許多神奇的特性，其中之一就是“糾纏”。對處于糾纏態的其中一個粒子進行操作，會影響到另一個粒子。不管這兩個粒子相距多遠，他們都有著不可思議的“心靈感應”。
于是，量子隱形傳態的概念被提出：關于一個量子客體的全部信息在某個地點被掃描輸入，又能在一個新的地點重構出來。
但是，傳遞處于糾纏態粒子的過程，充滿著噪音、散射和各種形式的其他干擾，任何一種干擾都會破壞隱形傳態所必需的精巧的量子關聯。比如，糾纏光子通過光纖傳輸，但光纖會吸收光，這大大限制了光子的傳輸距離。潘建偉說，即使存在超出目前技術水平的10G赫茲理想單光子源和100%探測效率的理想單光子探測器，但若要在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。“因此，要實現覆蓋全球的廣域量子保密通信，還需要借助衛星的中轉。”
通過一系列的實驗，量子隱形傳態的距離紀錄被中外科學家一再刷新。
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，證實光子穿透大氣層后，其量子態能夠有效保持。
2007年開始，潘建偉與中科院一些機構合作，做地面驗證。2010年，他們論證了發射衛星的可能性；2011年底，量子科學實驗衛星項目正式立項。
困難全都得自己解決。
“墨子號”常務副總師兼衛星總指揮王建宇說，他的工作就是幫助科學家夢想成真。“2011年到今天，我們經歷了原理樣機、初樣、正樣幾個階段的努力。因為是國際上第一顆量子衛星，毫無參照。以前有些衛星任務，多少能找到參考，在國際做法的基礎上改進。但量子衛星的困難全得自己解決。”
王建宇舉了一個難點：“首先，衛星微弱的光發下來，地面要收到。一千公里遠，0.7個角秒，對不準不行，而且地面要收到每一個光子。因為光的編碼是偏振狀態，我們不但要收到光子，還要完美檢測偏振狀態，才能變成密碼。”
王建宇打比方說，這就相當于人坐在萬米高空的飛機，向下扔一連串硬幣，要扔進一個慢慢旋轉的儲幣罐的縫里。必須瞄準好，因為硬幣斜了也投不進去。而且，“密鑰分發時候，每秒鐘要接收1億個光子。這些光子的次序還不能搞錯，搞錯就白收了。”王建宇說。
接受光子的望遠鏡的靈敏度，相當于月球上劃一根火柴，地球上就要測到。而潘建偉則比作：在地球上能看清木星衛星上的車牌號。
“衛星上發出一對糾纏光子，要兩個站同時收到，國際上從未做過。”王建宇說，“美國人做過一個點對準。他們是強光通信，要用強光引導。我們是弱光通信，用5種光，還要區分出來。”
潘建偉坦言，衛星研制過程中，遇到了各種難題，很難說哪個困難最大。他透露，在衛星設計過程中，他們也有過重要的調整。“宇宙中有很多高能粒子，我們的衛星要接受地面信號，需要紅外探測器在宇宙環境中，單光子水平下長時間工作。西歐給出的測試報告，說探測器可以經受高能粒子打擊。結果我們去驗證，1個星期探測器就被打壞了。于是，我們就想將軌道搞低一點，避開高能粒子，但作用有限。后來我們又用了一種辦法，讓探測器即使身處高能粒子打擊下，還能工作1年以上。”
建立跨大陸的量子通信連接
其實，在自由空間量子通信領域，潘建偉的競爭對手之一，就是他曾經的導師，奧地利科學院院長、物理學教授安東·蔡林格（Anton Zeilinger）。
從糾纏光子分發到量子隱形傳態，中國團隊和奧地利團隊不斷競爭，立下一個又一個里程碑。
蔡林格研究組同樣一直在和歐洲空間局商討建立量子衛星計劃。但是，“它的運行機制太慢了，以至于沒有做出任何決策”。
“墨子號”發射成功，中國團隊在量子太空競賽中，已經領先一步。
現在，潘建偉和蔡林格團隊有了一個共同目標——在北京和維也納之間生成和共享一個安全的量子密鑰。
量子密鑰，即發送方和接收方采用單光子狀態作為信息載體來建立的密鑰。單光子不可分割、不可復制，也無法被精確地測量。無論現在還是將來，無論破譯者掌握怎樣先進的竊聽技術，基于量子力學原理而建立的密鑰，不可能被破解。
這就是“絕對安全”。量子通信被視為保障未來信息社會通信安全的重要技術基礎。
“隨著中國科技的迅猛發展，我相信量子通信將在不到10年時間里輻射千家萬戶。期盼在我有生之年，能親眼目睹以量子計算為終端、以量子通信為安全保障的量子互聯網的誕生。”潘建偉說，“相信我國科學家做得到。”
奧地利的研究團隊同樣投入熱情，加入這場新的國際合作。蔡林格說：“我的一個學生正開始學習漢語。”他希望，此次量子科學實驗衛星項目，能夠為兩個大陸之間，建立起第一個量子通信連接。
2030年，建成全球化廣域量子通信網絡
這樣的通信連接，還會有更多。
潘建偉說，從量子衛星到地面跨度為500公里，地面站之間相距1200公里，據他所知，這是國際上跨度最大的單個實驗室。
他所說的地面站，是量子衛星科學應用系統的一部分。這個系統的配置為：1個中心——合肥量子科學實驗中心；4個站——南山、德令哈、興隆、麗江量子通信地面站；1個平臺——阿里量子隱形傳態實驗平臺。
衛星的成功發射，并不意味著團隊可以稍事休息，這條征途沒有盡頭。潘建偉心中的時間表，也已經排到了2030年。
“單顆低軌衛星無法覆蓋全球，同時由于強烈的太陽光背景，目前的星地量子通信只能在地影區進行。要實現高效的全球化量子通信，還需要形成一個衛星網絡。”潘建偉強調。
接下來，團隊還要開展空間站“量子調控與光傳輸研究”項目。該項目將研究星間量子通信技術、全天時量子通信技術等，同時進行量子密鑰組網應用、多種技術體制的空間激光通信驗證、量子密鑰分發與激光通信復合的加密信息傳輸系統等應用研究，為下一步的衛星組網奠定技術基礎。
“如果進展順利，國家也支持發射多顆量子通信衛星，那么有希望到2030年左右，建成全球化的廣域量子通信網絡。”潘建偉說。
