在浩瀚星空里，有一顆衛(wèi)星獨一無二，它在世界上首次實現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間的量子通信，初步構(gòu)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(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”。

從2003年萌發(fā)量子衛(wèi)星通信的想法，到2017年“墨子號”預(yù)定科學(xué)實驗任務(wù)全部完成，中國科學(xué)家經(jīng)過了14年的努力。從跟跑、并跑到領(lǐng)跑的漂亮“沖刺”背后，是他們追求原創(chuàng)、銖積寸累、協(xié)同攻關(guān)的故事。

中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)（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(xiàn)“量子星座”，形成覆蓋全球、全天時服務(wù)的量子通信網(wǎng)絡(luò)?？茖W(xué)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(fā)，更加深入地探索量子物理基本原理。

1?“一個瘋狂的設(shè)想”

1996年，從中國科大碩士畢業(yè)的潘建偉，前往奧地利攻讀博士學(xué)位。導(dǎo)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(xué)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(xiàn)了量子遠(yuǎn)程傳態(tài)，也稱量子隱形傳態(tài)。這一成果被認(rèn)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(xué)的神奇。

隨后，量子信息在國際上蓬勃發(fā)展。潘建偉在與量子“糾纏”的同時，首先想到的是立足國內(nèi)。然而，那時國內(nèi)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(rèn)為是“偽科學(xué)”。

2001年，在完成多個量子信息領(lǐng)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(xué)院、中國科大、國家自然科學(xué)基金委員會等機(jī)構(gòu)的大力支持，所以發(fā)展非常快。僅2003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(fā)表7篇論文。

但潘建偉想做的事不只是發(fā)論文，他還要把論文中的藍(lán)圖變成現(xiàn)實。彼時，他有了“一個瘋狂的設(shè)想”——利用衛(wèi)星實現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子糾纏分發(fā)。

通信安全是國家信息安全和人類經(jīng)濟(jì)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(lǐng)域最接近實用化的一個方向。

潘建偉介紹，之所以需要發(fā)射衛(wèi)星來建立天地間量子通信網(wǎng)絡(luò)，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(dāng)嚴(yán)重。實驗表明，光纖傳輸?shù)牧孔油ㄐ判盘栐?00公里以外就幾乎被吸收殆盡。如果想實現(xiàn)遠(yuǎn)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(wèi)星作為中轉(zhuǎn)站，可以將多個城市的城域量子通信網(wǎng)絡(luò)連接起來，極大地延長量子通信距離。

在本世紀(jì)初，該方向就已成為國際學(xué)術(shù)界激烈角逐的焦點。誰能拔得頭籌，就意味著誰能占據(jù)量子通信的制高點。

“過去，我們在科研領(lǐng)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(shè)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(xué)科，我們必須學(xué)會和習(xí)慣做開拓者。”潘建偉說。

潘建偉（前排中）實驗團(tuán)隊在討論數(shù)據(jù)。

2?年輕的“先遣部隊”

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

2003年，當(dāng)時還是博士生的彭承志被潘建偉委以重任，“你工程能力強(qiáng)，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(lǐng)域的“開山之作”——全球首次13公里自由空間量子糾纏分發(fā)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(jié)果給了潘建偉很大的信心。2006年，他鄭重地向中國科學(xué)院提出那個“瘋狂設(shè)想”，并得到了院黨組和主管部門的支持。

2007年，中國科學(xué)院超常規(guī)地啟動了兩個知識創(chuàng)新工程重大項目“遠(yuǎn)距離量子通信實驗研究”和“空間尺度量子實驗關(guān)鍵技術(shù)與驗證”。此后，在這兩大項目的支持下，潘建偉團(tuán)隊對自由空間量子實驗關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了大量研究。

從2007年4月開始，他們在北京八達(dá)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(tài)實驗。這是當(dāng)時世界上距離最遠(yuǎn)的量子隱形傳態(tài)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?shù)某邘缀螕p耗，實驗點就在青海湖中的小島“海心山”上。

然而，由于設(shè)備穩(wěn)定性差、技術(shù)不成熟等因素，這次實驗一直沒能取得預(yù)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(diào)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(jié)，最終在國際上首次實現(xiàn)百公里級量子隱形傳態(tài)和量子糾纏分發(fā)，充分驗證了在高損耗的星地鏈路中實現(xiàn)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(bǔ)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(shè)備用發(fā)電機(jī)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(tài)。”印娟說，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(wèi)星-地面之間的量子通信。他們想了很多辦法，如把設(shè)備安裝在吊車、卡車上，或者讓設(shè)備隨著熱氣球升空，甚至還利用飛機(jī)進(jìn)行了角速度模擬實驗。經(jīng)過一系列模擬實驗，他們驗證了高精度捕獲跟瞄技術(shù)、高靈敏能量分辨探測技術(shù)、星載量子光源技術(shù)等。

“上述實驗都在2011年左右結(jié)束，系列實驗成果在‘墨子號’立項論證過程中起到至關(guān)重要的作用，關(guān)鍵技術(shù)最終用在了‘墨子號’上。”潘建偉說。

潘建偉說：“我們對年輕人的態(tài)度就是，只要能干、愿意干，就放手讓他們?nèi)ジ?，讓他們在摸爬滾打的實踐中得到成長。”

3?聯(lián)合團(tuán)隊協(xié)同攻關(guān)

2011年1月25日，潘建偉團(tuán)隊迎來一個關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點——中國科學(xué)院啟動戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項“空間科學(xué)”，“量子科學(xué)實驗衛(wèi)星”等4顆科學(xué)衛(wèi)星入選。

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

量子科學(xué)實驗衛(wèi)星工程由中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心抓總負(fù)責(zé)；中國科大負(fù)責(zé)科學(xué)目標(biāo)的提出和科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)的研制；中國科學(xué)院上海微小衛(wèi)星工程中心（中國科學(xué)院上海微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院前身）抓總研制衛(wèi)星系統(tǒng)，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所聯(lián)合中國科大研制有效載荷分系統(tǒng)；中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心牽頭負(fù)責(zé)地面支撐系統(tǒng)研制、建設(shè)和運行，對地觀測與數(shù)字地球科學(xué)中心等單位參與。

量子科學(xué)實驗衛(wèi)星的科學(xué)目標(biāo)，一是進(jìn)行星地高速量子密鑰分發(fā)實驗，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行廣域量子密鑰網(wǎng)絡(luò)實驗；二是在空間尺度進(jìn)行量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)實驗，開展空間尺度量子力學(xué)完備性檢驗的實驗研究。

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

就這樣，早期的“瘋狂設(shè)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(jié)點。

中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研究員、“墨子號”工程常務(wù)副總設(shè)計師兼衛(wèi)星系統(tǒng)總指揮王建宇也在這時與潘建偉團(tuán)隊結(jié)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(dāng)時他們列了六七件最難的事兒。

中國科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院研究員、量子衛(wèi)星系統(tǒng)總師朱振才剛接觸量子衛(wèi)星工程時，直覺告訴他，“這是一項前所未有的、挑戰(zhàn)技術(shù)極限的尖端空間任務(wù)”。

量子衛(wèi)星成功的關(guān)鍵是確保衛(wèi)星上發(fā)出兩束非常狹窄的微弱光束，準(zhǔn)確地照射到兩臺相距千公里的地面望遠(yuǎn)鏡上。與一般衛(wèi)星不同，量子衛(wèi)星平臺需要克服轉(zhuǎn)臺和轉(zhuǎn)鏡兩套運動模式不同的光學(xué)載荷運動干擾、姿控飛輪微振動干擾、高速飛行衛(wèi)星的位置速度誤差、空間環(huán)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(zhǔn)確、穩(wěn)定地照射到地面望遠(yuǎn)鏡上。

“我們采用衛(wèi)星平臺-載荷一體化協(xié)同分級控制技術(shù)，利用衛(wèi)星平臺姿控系統(tǒng)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(zhǔn)地面望遠(yuǎn)鏡，再利用衛(wèi)星平臺結(jié)構(gòu)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(nèi)精準(zhǔn)地照射到地面望遠(yuǎn)鏡，最終攻克了這項技術(shù)難題。”朱振才解釋說。

做科學(xué)實驗要創(chuàng)新，要發(fā)現(xiàn)未知的東西，想法可以更加大膽。但做工程，他們要確保任務(wù)成功。

所以在衛(wèi)星具體研制階段，科學(xué)家與工程師團(tuán)隊在具體細(xì)節(jié)落實上，沒少對坐在會議桌前“拍桌子”。

“后來我們達(dá)成了一個共識——采用‘首席科學(xué)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(xué)家+兩總”的模式，在類似科研任務(wù)中一直延續(xù)了下來。

“科學(xué)團(tuán)隊確保工程實施始終瞄準(zhǔn)科學(xué)目標(biāo)，配合工程團(tuán)隊厘清相關(guān)科學(xué)原理。工程團(tuán)隊突破關(guān)鍵技術(shù)，精心完成衛(wèi)星設(shè)計、制造和驗證，確保衛(wèi)星性能優(yōu)異、工作可靠、質(zhì)量過硬?！敝煺癫耪f。

最終，經(jīng)過5年艱苦攻關(guān)，量子科學(xué)實驗衛(wèi)星終于被成功研制出來。

4?夢想照進(jìn)現(xiàn)實

激動人心的時刻到了。2016年8月16日，世界首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空，中國率先將量子科學(xué)實驗衛(wèi)星的設(shè)想變成了現(xiàn)實。

2016年8月16日，世界首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空。

這顆衛(wèi)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(jìn)行了光學(xué)實驗，發(fā)現(xiàn)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(wèi)星、開普勒望遠(yuǎn)鏡一樣，以中國古代偉大科學(xué)先賢的名字來命名全球首顆量子衛(wèi)星，可以增強(qiáng)我國的文化自信和科研自信。”潘建偉說。

經(jīng)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(xué)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(fā)實驗，并在此基礎(chǔ)上完成了空間尺度下嚴(yán)格滿足“愛因斯坦定域性條件”的量子力學(xué)非定域性檢驗。

2017年6月16日，千公里級星地量子糾纏分發(fā)實驗登上《科學(xué)》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(xiàn)從衛(wèi)星到地面的千公里級量子密鑰分發(fā)和地面到衛(wèi)星的千公里量子隱形傳態(tài)。

“墨子號”提前并圓滿實現(xiàn)全部三大既定科學(xué)目標(biāo)，為我國繼續(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(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)。

2017年9月29日，中國科學(xué)院與奧地利科學(xué)院兩個量子科學(xué)研究團(tuán)隊利用“墨子號”，開展了北京-維也納距離長達(dá)7600公里的洲際量子密鑰分發(fā)，打通了天地一體化量子保密通信鏈路，向?qū)崿F(xiàn)覆蓋全球的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)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(wèi)星自發(fā)射升空起，就獲得了諸多榮譽(yù)。

國家主席習(xí)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(jìn)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(chǎn)黨成立100周年之際，中央黨史和文獻(xiàn)研究院編寫的《中國共產(chǎn)黨一百年大事記》，“墨子號”升空被納入其中。

“墨子號”成功發(fā)射和完成科學(xué)實驗任務(wù)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(jìn)展新聞”。因“墨子號”升空而取得重大進(jìn)展的“廣域量子通信”項目研究團(tuán)隊，獲得2019年度中國科學(xué)院杰出科技成就獎。

“墨子號”項目的實施還在國際上引發(fā)了一波“量子”潮。

2017年，美國宇航局發(fā)布關(guān)于未來空間量子物理發(fā)展的白皮書，以期在新一輪空間量子科學(xué)發(fā)展中重新實現(xiàn)“美國領(lǐng)先”。同期，歐洲航天局也發(fā)布了空間量子技術(shù)白皮書。

2021年6月，《科學(xué)》發(fā)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。科學(xué)家利用它進(jìn)行了一系列拓展實驗，相關(guān)成果不斷刷新量子通信距離的世界紀(jì)錄，使中國牢牢占據(jù)空間量子科學(xué)研究領(lǐng)域的引領(lǐng)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(yuǎn)。

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

“第一顆低成本的量子微納衛(wèi)星已經(jīng)在2022年7月發(fā)射成功。我們還在研制一顆中高軌量子科學(xué)實驗衛(wèi)星，希望在2026年底具備發(fā)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(yù)見的未來，地月量子糾纏分發(fā)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(xué)報》?2024-08-19?第4版?專題）