墨子號

墨子號量子科學實驗衛星（簡稱墨子號），於2016年8月16日1時40分，在酒泉用長征二號丁運載火箭成功發射升空。此次發射任務的圓滿成功，標誌着我國空間科學研究又邁出重要一步。

墨子號
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中國量子衛星首席科學家潘建偉院士介紹，如果說地面量子通信構建了一張連接每個城市、每個信息傳輸點的「網」，那麼量子科學實驗衛星就像一杆將這張網射向太空的「標槍」。當這張縱橫寰宇的量子通信「天地網」織就，海量信息將在其中來去如影，並且「無條件」安全。

2017年1月18日，中國發射的世界首顆量子科學實驗衛星「墨子號」圓滿完成了4個月的在軌測試任務，正式交付用戶單位使用。中國科學技術大學、中科院等單位相關領導在交付使用證書上簽字 。

2019年1月31日，被授予2018年度克利夫蘭獎。中國研究人員2019年2月14日在美國華盛頓說，「墨子號」量子科學實驗衛星預計將超出預期壽命、繼續工作至少2年以上，並展開更多國際合作。

中文名：墨子號

外文名：Quantum Experiments at Space Scale/QUESS

所屬國家：中國

分 類：全球首顆量子科學實驗衛星

發射地點：酒泉衛星發射中心

發射時間：2016年8月16日1時40分

重要意義：我國在世界上首次實現量子通信

交付單位：中國科學技術大學

技術先進城市：合肥市、北京市、濟南市

目錄

研發背景

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量子保密通信技術已經從實驗室演示走向產業化。在城市裡，通過光纖建構的城域量子網絡通信已經開始嘗試實際應用，我國在城域光纖量子通信方面已取得了國際領先的地位。在量子通信的國際賽跑中，中國屬於後來者。經過多年的努力，中國已經躋身於國際一流的量子信息研究行列，在城域量子通信技術方面也走在了世界前列，建設完成合肥、濟南等規模化量子通信城域網，「京滬幹線」大尺度光纖量子通信骨幹網也即將竣工。然而，這只是開始。

量子保密通信，能夠從三個方面保障信息安全。第一，發送者和接收者之間的信息交互是安全的，不會被竊聽或盜取。第二，「主僕」身份能夠自動確認，只有主人才能夠使喚「僕人」，而其他人無法指揮「僕人」。第三，一旦發送者和接收者之間的傳遞口令被惡意篡改，使用者會立刻知曉，從而重新發送和接收指令。

原來，用量子通信方式傳遞信息，傳送的是光的最小能量單元。但這種最小的顆粒，不能再被分割，也不能複製。即使採用目前最先進的理想單光子探測器，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。後來，科學家意識到，真空里不會有光的損耗，想要實現覆蓋全球的廣域量子保密通信，還需要藉助衛星的中轉。

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，證明光子穿透大氣層後，其量子態能夠有效保持，從而驗證了星地量子通信的可行性。近幾年開展的一系列後續實驗都為發射量子衛星奠定了技術基礎。

「這樣一來，通過發射衛星，去除干擾因素，就可以實現幾千公里的量子通信。」潘建偉說，有了量子衛星，還可以在宏觀距離上檢驗所謂的量子力學的非局域性，也就是「幽靈般的超距作用」。「看看在實驗室里不斷被重複檢驗的理論，放在太空是否還能實現。」

研發單位

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量子衛星工程由中科院國家空間科學中心總負責;中國科學技術大學負責科學目標的提出和科學應用系統的研製;中科院上海微小衛星創新研究院抓總研製衛星系統，中科院上海技術物理研究所聯合中科大研製有效載荷分系統;中科院國家空間科學中心牽頭負責地面支撐系統研製、建設和運行;對地觀測與數字地球科學中心等單位參加。

研製歷史

量子衛星2011年12月立項，是中科院空間科學先導專項首批科學實驗衛星之一。工程還建設了包括南山、德令哈、興隆、麗江4個量子通信地面站和阿里量子隱形傳態實驗站在內的地面科學應用系統，與量子衛星共同構成天地一體化量子科學實驗系統。

量子衛星首席科學家潘建偉院士介紹，我國自主研發的量子衛星突破了一系列關鍵技術，包括高精度跟瞄、星地偏振態保持與基矢校正、星載量子糾纏源等。

2016年8月16日凌晨，被命名為「墨子號」的中國首顆量子科學實驗衛星開啟星際之旅。它承載着率先探索星地量子通信可能性的使命，並將首次在空間尺度驗證量子理論的真實性。

量子通信系統的問世，點燃了建造「絕對安全」通信系統的希望。當前，量子通信的實用化和產業化已經成為各個大國爭相追逐的目標。

在量子通信的國際賽跑中，中國屬於後來者。經過多年的努力，中國已經躋身於國際一流的量子信息研究行列，在城域量子通信技術方面也走在了世界前列，建設完成合肥、濟南等規模化量子通信城域網，「京滬幹線」大尺度光纖量子通信骨幹網也即將竣工。

然而，這只是開始。「在城市範圍內，通過光纖構建城域量子通信網絡是最佳方案。但要實現遠距離甚至全球量子通信，僅依靠光纖量子通信技術是遠遠不夠的。」潘建偉說。

他解釋說，因為量子的信息攜帶者光子在光纖里傳播一百公里之後大約只有1‰的信號可以到達最後的接收站，所以光纖量子通信達到百公里量級就很難再突破。但光子穿透整個大氣層後卻可以保留80%左右，再利用衛星的中轉，就可以實現地面上相距數千公里甚至覆蓋全球的廣域量子保密通信。

另外，誕生百年的量子理論的奇妙之處在實驗室里被不斷重複檢驗，但卻從未在太空尺度驗證過。量子理論的各種奇異現象在太空中是否還存在？量子糾纏和隱形傳輸是否可以延伸到星地之間？這些都需要衛星去驗證。 2011年，中科院正式啟動全球首顆「量子科學實驗衛星」的研製，這既意味着中國科學家率先向星地量子通信發起挑戰，更意味着中國或將領先歐美獲得量子通信覆蓋全球的能力。

主要任務

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首先，通過量子衛星實現衛星和地面的量子密鑰分發，從而實現廣域的量子保密通信。光纖傳輸的過程中信號損失相當嚴重，如果人類想實現遠距離量子通信傳輸就必須建立多個安全可信的信號中繼站，這無疑大大增加了信息泄露的幾率。科學家經過研究發現，光在穿透大氣層的過程中能量損失僅為百分之二十，利用空間中的量子衛星作為地面網絡的中轉站，可以將地面多個城市中建立起的城際量子通信網絡連接起來，極大地提高量子通信的效率。

其次，「墨子號」還承擔着對量子力學本身的基本原理進行檢驗的實驗任務。量子糾纏態是量子力學中的一個經典現象，量子衛星把這個實驗帶到外層空間，將在國際上首次實現千公里量級的量子非定域性實驗檢驗，對於人類加深對量子力學基礎理論的認識具有重要意義。

第三，「墨子號」將連接中國和奧地利之間的量子通信網，以證明全球規模的量子通信網絡設想是可行的。作為建設「天地一體化」通信網絡的重要組成部分，「墨子號」量子衛星與普通衛星相比存在着巨大的差異。發射升空的量子衛星以及多個地面觀測站，共同組成了前所未有的覆蓋地面和空間的巨大實驗網絡。

命名來源

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首顆量子通信衛星以我國古代科學家墨子的名字來命名。墨子最早提出過光線沿直線傳播的觀點，進行了小孔成像實驗。用他的名字命名以紀念他在早期物理光學方面的成就。

墨子最早通過小孔成像實驗發現了光是直線傳播的，第一次對光直線傳播進行了科學解釋——這在光學中是非常重要的一條原理，為量子通信的發展打下了一定的基礎。墨子還提出了某種意義上的粒子論。光量子學實驗衛星以中國科學家先賢墨子來命名，體現了中國的文化自信。

重要意義

我國成功發射了世界上首顆量子科學實驗衛星「墨子號」,其背後所代表的意義,不僅是我國成全球第一個實現工衛星和地面之間通過量子通信的國家,也不僅是我國走在世界量子通訊最前沿的象徵還有着更為重大的世界意義。

首先,「墨子」在建立量子通信網絡方面有巨大的價值,它的任務是星地高速量子密鑰分發實驗進行廣域量子密匙實驗,以發展量子通信技術,構建廣域乃至全球範圍內絕對安全的量子通信網絡體系。愛因斯坦曾經質疑量子力學理論的完備性,其中一個內容就是量子糾纏態,即在多粒子量子系統中,一對具有量子糾纏態的粒子,即使相隔極遠,當其中一個狀態改變時,另一個狀態也會即刻發生應改變。在量子通信技術應用裡面來看這一特性,那就是量子通信將會擁有很高的保密性以及不可值性。這對金融、軍事、政治等領域都將產生不可估量的價值。

其次,量子力學的發展是科學到技術前進的一大步。美國麻省理工學院物理學教授Vladan Vule一段話能夠很好的闡釋:「我並不指望衛星實驗能夠教給我們任何我們尚不了解的量子力學和有關量奇特性質的知識。然而,量子科學實驗衛星項目卻有着非常重大的意義,它將會把科學轉變為技術:果實驗成功,它將有可能建立比經典物理學更強有力的地面系統與空間系統鏈接。然後,這種鏈接可在實際上用於安全的信息交流。因此,愛因斯坦用來反對量子物理學的比喻,最終成了一種交流工具這將是一個非常激動人心的進展。

最後,關於「量子」,量子衛星只是第一步,一小步,這將打開量子力學飛躍發展的開端。我國務院印發的《十三五國家科技創新規劃》已經把部署量子通信和量子計算列為國家重點科技項目。而觀世界,也已經有很多國家把「量子」作為一項重要研究對象。集結了世界各國的關注,想必在不久將來,「量子」這一科學理論將會被應用到社會的諸者多方面。

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