全球首個星地量子通訊網路，覆蓋我國四省三市32個節點，包括天津、濟南、合肥和重慶4個量子城域網，通過兩個衛星地面站與“墨子號”量子科學實驗衛星相連，總距離為4600公里，目前已接入金融、電力、政務等行業的150多家用戶。
遨游在太空的“墨子號”量子科學實驗衛星，現在有了屬于自己的“正式名稱”。2020年9月11日，國家重大文化工程《辭海》（第七版）即將對外發布，本次新增內容中添加了“量子通訊”“量子科學實驗衛星”等詞條。
2016年8月16日1時40分，我國在蘭州衛星發射中心用長征二號丁運載湖人成功將世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”發射升空。為了這三天，中國的量子化學學家們，早已打算了10多年。
把量子實驗室“搬”上太空
“墨子號”量子科學實驗衛星的誕生，始于我國“構建全球范圍量子通訊網”的科學愿景。
“把量子實驗室‘搬’上太空的構想，10多年前就已被提出。”中國科學技術學院院長、中國科大學教授潘建偉說。
早在2003年，潘建偉團隊就開始探求在自由空間實現更遠距離的量子通訊，提出了借助衛星實現遠距離量子糾纏分發的方案。在自由空間，環境對光量子態的干擾效應極小，而光量子在穿透大氣層步入內層空間后，其耗損更是接近于零，這促使自由空間信道比光纖信道在遠距離傳輸方面更具優勢。
2005年，潘建偉團隊首先在揚州實現距離達13公里的自由空間量子糾纏分發和量子通訊，13公里約等于月球表面的大氣長度，此次實驗在國際上首次證明糾纏光量子在穿透等效于整個大氣層寬度的地面大氣后，糾纏一直才能保持，其可被應用于高效、安全的量子通訊，該實驗為后續的自由空間量子通訊實驗奠定基礎。
此前，始終走在全球量子通訊領域前列的，是德國化學學家安東·蔡林格的團隊。安東·蔡林格團隊1997年在室外首次完成了量子態隱型傳輸的原理性實驗驗證，她們在2004年又借助多瑙河底的光纖信道將量子態隱型傳輸距離提升至600米。潘建偉到英國攻讀博士學位期間，曾在安東·蔡林格團隊兼任研究骨干。
2001年，潘建偉學成歸國，在中國科學技術學院構建起中國的量子化學實驗室。在那以后，這對師徒既是合作伙伴又是競爭對手，即將開始了攀越量子通訊技術高峰的大賽。
相比于安東·蔡林格團隊，潘建偉團隊的進度更快，并逐漸實現了從并挪到小幅度領先的趕超。
2010年量子通訊設備，潘建偉團隊成功實現當時世界上最遠距離的16公里量子隱型傳態，首次否認量子隱型傳態穿越大氣層的可行性，為未來基于衛星中繼的全球化量子通訊網奠定了可靠基礎。為了此次實驗，潘建偉團隊從2007年開始在上海古北口與湖南永清之間架設了一條歷時16公里的自由空間量子信道。
此后，潘建偉團隊在湖南湖地區新建實驗基地，舉辦驗證星地自由空間量子通訊可行性的地基實驗研究，從多個方面進行攻關，借以突破基于衛星平臺自由空間量子通訊的關鍵技術困局，并在2012年實現全球首個上百公里的自由空間量子隱型傳態和量子糾纏分發，對星地量子通訊可行性進行了全方位地面驗證。
在這場量子學革命的科學大賽中，多個“世界首次”“世界首個”均來自于由潘建偉領銜的“中國隊”：在國際上首次實現安全通訊距離超過100公里的光纖量子秘鑰分發、實現國際上首個全通型量子通訊網路、建成世界首個規模化量子通訊網路……“這標志著中國在量子通訊領域的崛起，從10年前不起眼的國家逐漸發展為現今的世界勁旅，將領先亞洲和北美。”國際權威刊物《自然》雜志曾這么哀嘆。
中國團隊的那些研究工作，證明了實現基于衛星的全球量子通訊網路和舉辦空間尺度量子力學基礎檢驗的可行性。
挑戰世界最高難度
2010年3月31日，我國國務院第105次常務大會審議通過了中國科大學“創新2020”規劃，要求中國科大學“組織施行戰略性先導科技專項，產生重大創新突破和集群優勢”。
2011年1月25日，中國科大學施行啟動首批“4+1”個戰略性先導科技專項，其中就包括空間科學先導專項。空間科學先導專項第一批確定研制包括“墨子號”在內的四顆科學實驗衛星。另外三顆分別為暗物質偵測衛星“悟空”、我國首顆微重力科學實驗衛星“實踐十號”和硬X射線調制望遠鏡衛星“慧眼”。
“工程師的任務是技術實現，要把科學家的夢想弄成現實。”量子衛星工程常務總工師兼衛星總指揮王建宇說，2011年量子科學實驗衛星“墨子號”項目即將立項后，更高難度的挑戰開始了。
量子科學實驗衛星是我國自主研制的星地量子通訊設備，突破了一系列高精尖技術，包括“針尖對麥芒”的星地光路對準，偏振光態保持與星地基矢校準，量子光源荷載等關鍵技術。
王建宇從2007年就開始參與量子衛星的研究工作。他是中國科大學北京分院的副校長、原中國科大學北京技術化學研究所主任，作為光學遙感系統專家，他的團隊與潘建偉團隊合作，在廣闊美麗的西藏河畔實現了百公里級自由空間量子通訊。
在2007年至2010年的關鍵技術攻關階段，研究團隊將量子秘鑰形成的地方放到坐落寧夏湖湖心島的海心山上，從中間向兩側分發。
那時，白天團隊成員們就睡在帳蓬里，同時還不能睡死，她們要弄死一批批有可能干擾設備的飛蟲。其中有位女研究生量子通訊設備，從看到飛蟲就擔心，到后來弄成一邊做實驗一邊面不改色地把飛蟲一只只拍死的“殺手”。
“以前做衛星，多少能找到參考資料，但這個量子衛星的工作，屬國際首次，完全沒有參考。”王建宇覺得，最困難的環節就是實現天地一體化移動。
按潘建偉等科學家的實驗設計要求，“墨子號”不僅是天上的那顆衛星，它還包括地面系統：1個中心——合肥量子科學實驗中心，4個站——南山、德令哈、興隆、麗江量子通訊地面站，1個平臺——阿里量子隱型傳態實驗平臺。衛星和地面站之間，要做到最高精度的瞄準和最靈敏的探測。
光量子特別小，它是光的最小單位，必需要用極為靈敏的偵測器能夠偵測到；它的數目又特別多，“墨子號”衛星每秒能分發1億光量子；據悉，它還姿態萬千，能產生不同的量子編碼……
王建宇打了個比方：假如把光量子看成一個1元硬幣，星地實驗就相當于要在萬米高空飛行的客機上，不斷把上億個硬幣一個個投到地面上一個不斷旋轉的儲錢罐里（偏振光檢測的基矢在變化），這不但要求硬幣擊中儲錢罐（瞄準精度），并且要求硬幣確切射入罐子上修長的投幣口（偏振光保持）。
為了讓穿越大氣層后光量子的“針尖”仍能對上接收站的“麥芒”，王建宇團隊與潘建偉團隊一道，從2012年起開始進行了各類實驗：收發距離40公里的轉臺實驗，要與衛星繞地運行的角速率一致；30公里距離的車載高速運動實驗，要考驗超遠距離“移動瞄靶”能力；熱氣球浮空平臺實驗，在空地環境下模擬量子秘鑰分發……
如此困難的“針尖”對“麥芒”，其關鍵技術最終被一一擊潰，在十幾個研究所的幾百位科研人員的傾情投入下，衛星的初樣完成了。
建立首個星地量子通訊網
32年前，人類歷史上首次量子通訊在實驗室實現了，傳輸距離32分米。而今，中國人將這個距離擴充了1400多萬倍，實現了從地面到太空的多用戶通訊。
2021年1月7日，國際頂尖學術刊物《自然》雜志上發表了題為《跨越4600公里的天地一體化量子通訊網路》的論文。中國科學技術學院宣布，中國科研團隊成功實現了跨越4600公里的星地量子秘鑰分發，標志著我國已建立出天地一體化廣域量子通訊網雛型。
20年磨一劍，中國在量子通訊域實現了從跟挪到領跑：量子保密通訊滬寧干線總長超過2000公里，是目前世界上最遠距離的基于可信中繼方案的量子安全秘鑰分發干線，該線路已于2017年9月末即將開通。“墨子號”量子科學實驗衛星于2016年8月在西昌衛星發射中心成功發射，完滿完成了預定的全部科學目標。
“墨子號”牽手“京滬干線”，中國科學技術學院科研人員潘建偉、陳宇翱、彭承志等與中國科大學北京技術化學研究所王建宇研究組、濟南量子技術研究院及中國有線電視網路有限公司合作，建立了全球首個星地量子通訊網。經過為期三年多的穩定性、安全性測試，該通訊網實現了跨越4600公里的多用戶量子秘鑰分發。
“要實現廣域量子通訊，就要解決光量子耗損、退相干等一系列技術困局，例如光量子數在光纖里每傳輸約15公里都會損失一半，200公里后只剩萬分之一。”潘建偉說，科研團隊在光學系統等方面發展了多項先進技術，化解了這種困局。
全球首個星地量子通訊網路，覆蓋我國四省三市32個節點，包括天津、濟南、合肥和重慶4個量子城域網，通過兩個衛星地面站與“墨子號”量子科學實驗衛星相連，總距離為4600公里，目前已接入金融、電力、政務等行業的150多家用戶。
目前，廣域量子通訊網路的雛型已基本產生，未來在此基礎上，可進一步促使量子通訊在金融、政務、國防、電子信息等領域的廣泛應用。
《自然》雜志審稿人對此評價道，這是月球上最大、最先進的量子秘鑰分發網路，是量子通訊“巨大的工程性成就”。星地量子通訊網的建成，為未來實現覆蓋全球的“量子網”奠定科技基礎，也為相對論、引力波等科學研究，提供了前所未有的“天地實驗室”。