繼6月16日“墨子號”量子科學實驗衛星實現星地量子糾纏分發的論文以封面文章的方式發表在國際權威學術刊物《科學》雜志后，8月份“墨子號”再傳佳訊——中國科學技術學院潘建偉院士及其朋友彭承志等組成的研究團隊，聯合中國科大學北京技術化學研究所王建宇研究組、微小衛星創新研究院、光電技術研究所、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，在中國科大學空間科學戰略性先導科技專項的支持下，借助“墨子號”量子衛星在國際上首次成功實現星地量子秘鑰分發和地星量子隱型傳態。從此，量子衛星三大科學目標完滿完成，這代表我國奔向覆蓋全球的廣域量子通訊網路邁出了里程碑式的一步，并為空間尺度檢驗量子化學基本問題奠定了堅實的科學與技術基礎。
兩項成果于8月10日同時在線發表在國際權威學術刊物《自然》雜志上。實際上，這兩項任務在實際應用中互為補充——量子秘鑰分發通過量子加密的形式安全地傳遞精典信息，而量子隱型傳態則可以傳遞這些必須用量子態描述的信息，這三者共同構成了量子通訊的兩個方面。
量子秘鑰分發（QKD）
通訊的安全性是人類的基本需求。傳統的私鑰密碼學之所以無法破解，一般依賴于個別物理問題的復雜度，而并非絕對安全。相比之下，量子秘鑰分發通過量子態的傳輸，在遙遠兩地的用戶共享無條件安全的秘鑰，借助該秘鑰對信息進行一次一密的嚴格加密，它的安全性由量子原理保障，是目前人類惟一已知的不可監聽、不可破譯的無條件安全的通訊方法。
圖1星地量子秘鑰分發實驗示意圖
自從1989年，在32分米的量子通道實驗中第一次實現QKD，人類仍然努力希望實現更長的安全傳輸距離，最終能在全球范圍實現實用化。
而傳統的最直接的方式是通過光纖或則近地面自由空間傳輸。并且，因為這兩種信道不可防止的耗損、以及單光子量子信息不能像精典通訊那樣被放大，數百公里量級的量子秘鑰分發已是極限。
按照數據測算，通過1200公里的光纖，雖然有每秒百億發射率的單光子源和完美的偵測器，也須要數百萬年才會構建一個比特的秘鑰。為了實現安全、長距離、可實用化的量子通訊，人們想到將衛星與地面鏈接，借助外太空幾乎真空因此光訊號耗損特別小的特征，可以大大擴充量子通訊距離。
事實上，借助衛星實現星地間量子通訊、構建覆蓋全球量子保密通訊網的方案早在2003年就已提出量子通訊技術真偽，驟然而至的是各類科學和技術上的驗證。2004年，潘建偉團隊的一場地面實驗演示了自由空間單向量子糾纏分發，在水平距離13公里（小于大氣層垂直有效長度）外，糾纏可以保持，驗證了穿過大氣層進行量子通訊的可行性。2011年末，中科院戰略性先導科技專項“量子科學實驗衛星”正式立項。2012年和2013年，潘建偉領銜的中科院聯合研究團隊在湖南湖實現了又分別實現了首個百公里級的單向量子糾纏分發，以及模擬星地相對運動和星地鏈路大耗損的量子秘鑰分發實驗，全方位驗證了衛星到地面的量子秘鑰分發的可行性。這種驗證性的實驗以及各類技術難關上的突破，保證了“墨子號”衛星發射升空后可以順利舉辦科學實驗。
本次“墨子號”量子衛星任務之一就是星地高速量子秘鑰分發——衛星發射量子訊號，地面接收，即“下行鏈路”。實驗采取的是三硬度的引誘態量子秘鑰分發合同，“墨子號”量子衛星過境時，與興隆地面光學站構建光鏈路，隨著衛星飛過地面站上空量子通訊技術真偽，通訊距離在645公里到1200公里之間變化?？茖W家在不同天氣狀況的23天里進行實驗，結果表明，衛星上量子引誘態光源平均每秒發送4000萬個訊號光子，一次單軌實驗可生成的安全秘鑰，平均成分辨率可達1.1kbps，誤分辨率為1%~3%。值得一提的是，在1200公里通訊距離上，星地量子秘鑰的傳輸效率比同等距離地面光纖信道高20個數目級（萬億億倍），據計算，倘若采用1200公里長的光纖，即便在最完美的條件下，想得到一個比特，也要等600萬年。
圖2“墨子號”-興隆地面站量子秘鑰分發實驗現場圖
這一實驗的成功為后續建立覆蓋全球的量子保密通訊網路奠定了可靠的技術基礎。在此基礎上，可以將衛星作為可信中繼，讓衛星儲存著量子秘鑰，隨著它的飛行，實現月球上任意兩點的秘鑰共享，將量子秘鑰分發范圍擴充到全球；據悉，為了降低覆蓋范圍，人們計劃在更高的軌道上發射多顆衛星，高低軌衛星配合，建造一個衛星天秤，將基于衛星的QKD通過地面站聯接到城際光纖量子保密通訊網，從而建立覆蓋全球的天地一體化保密通訊網路。
量子隱型傳態（）
量子通訊的另一重要內容是量子隱型傳態。在量子信息處理網路中，有些物質的信息（比如原子、分子、電子這類微觀粒子信息或則量子估算中間過程形成的寄存器量子比特狀態等）是不能用精典形式描述、測量和傳遞的，而量子隱型傳態，就是借助量子糾纏，將任意未知量子態從一個發送者(Alice)傳輸到一個空間遙遠的接收器(Bob)，而不須要實際傳輸對象本身。
1993年，等人提出了“量子隱型傳態（）”。四年后，英國Anton小組第一次在實驗上實現了量子隱型傳態。
與量子秘鑰分發一樣，既然是量子通訊的重要內容，中國的團隊也希望能將這一神秘的傳輸推廣到更遠距離，為人類的廣域量子通訊服務。隨著2003年借助衛星實現遠距離量子通訊方案的提出，潘建偉和彭承志等人在國際上首次實驗了水平距離13公里（大氣層垂直長度約為5-10公里）的自由空間單向量子糾纏分發，為量子隱型傳態打下了基礎。2010年，該團隊在國際上首次實現了基于量子糾纏分發的16公里量子態隱型傳輸。2012年，潘建偉領導的中科院聯合研究團隊在湖南湖實現了首個百公里級的單向量子糾纏分發和量子隱型傳態，充分驗證了借助衛星實現量子通訊的可行性。2015年，潘建偉團隊首次實現了單個光子的多個自由度的量子隱型傳態。
圖3量子隱型傳態實驗示意圖
本次地星量子隱型傳態是“墨子號”量子衛星的另一大科學任務，也是人類第一次在空間尺度上舉辦量子隱型傳態實驗。實驗中采用地面發射糾纏光子、天上接收的方法，即“上行”鏈路。
“墨子號”量子衛星過境時，與海拔5100m的拉薩阿里地面站構建光鏈路。地面光源每秒形成8000個量子隱型傳態例子，地面向衛星發射糾纏光子，實驗通訊距離從500公里到1400公里，共采集到911個隱型傳態例子，所有6個待傳送態均以小于99.7%的置信度趕超精典極限，這明晰顯示了量子隱型傳態的實現。據恐怕，若要在同樣寬度的光纖中重復這一工作，因為不可防止存在耗損，須要3800億年（宇宙年紀的20倍）能夠觀測到1個例子。
圖4“墨子號”-阿里地面站量子隱型傳態實驗現場圖
從科學的角度說，空間尺度量子隱型傳態的實現為空間量子化學學和量子引力實驗檢驗等研究奠定了可靠的技術基礎，從應用的角度說，量子估算形成的量子比特狀態傳播離不開量子隱型傳態，所以對于未來的全量子網路構想，大尺度下的量子隱型傳態實現是一個巨大的進步。
星地量子秘鑰分發通過下行鏈路實現了精典信息的安全傳輸，而地星量子隱型傳態通過上行鏈路實現了量子信息的可靠傳送。二者互為補充，第一次在空間和地面之間進行單向量子聯接，為未來實際應用的空間尺度量子通訊網路打下堅實的基礎。
此后，“墨子號”量子衛星全部三大既定科學目標已全部實現，可以說，不論在空間尺度量子化學基本問題檢驗上，還是在覆蓋全球的量子通訊技術發展上，我國都走在了世界的前沿。