2016年8月16日，我国成功将世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空。此次发射任务的成功，标志着我国空间科学研究又迈出重要一步。随着“墨子号”的成功升空，中国成为全球第一个实现卫星和地面之问量子通信的国家，我国将实现“天地一体化”量子通信网络的初步构建，成为量子通信领域的中国最强音，更巩固了我国在量子通信领域的世界领先地位。
首次实现卫星和地面之间量子通信
2016年8月16日1时40分，我国于酒泉卫星发射中心运用长征二号丁运载火箭，成功发射全球首颗量子科学实验卫星——“墨子号”，是我国将首次达成卫星与地面间的量子通信，构建天地一体化的量子保密通信与科学实验体系。
量子作为能量的最小单元，分子、原子、光子、电子等均为其具体表现形态。基于量子特殊规律研发的通信卫星，即量子通信卫星。
量子卫星首席科学家潘建伟院士指出，量子通信的安全性源于量子物理基本原理。单光子的不可分割特性及量子态的不可复制性，确保了信息传输的不可窃听与不可破解，从原理层面保障了身份认证、传输加密及数字签名等环节的无条件安全，可从根本上、永久性地解决信息安全难题。
“墨子号”能实现千公里级无中继量子保密通信
量子卫星项目于2011年12月正式立项，是中科院空间科学先导专项首批科学实验卫星之一。其主要科学目标包括开展星地高速量子密钥分发实验，并在此基础上推进广域量子密钥网络实验，以期在空间量子通信实用化方面取得重大突破；同时，在空间尺度进行量子纠缠分发与量子隐形传态实验，以验证量子力学理论。
每秒分发上亿个光量子
量子通信卫星作为一种卫星通讯技术，其核心在于接收并精准分发来自地球的量子信号，以达成地面与太空之间的信息传输。因此，量子通信的实现不仅依赖于“墨子号”这一太空中的卫星，还需一套完备的地面系统作为支撑。
“墨子号”的地面系统架构完备，涵盖一个科学实验中心（位于合肥的中国科学技术大学量子科学实验中心）、四个量子通信地面站（分别设于北京兴隆、云南丽江、青海德令哈及乌鲁木齐南山）以及一个量子隐形传输实验平台（以阿里隐形传态实验站为核心，构建天地一体化量子科学实验系统）。
“墨子号”作为中国量子通信卫星领域的先驱，通过传输光量子（即光的最小单位——光子）实现信息传递。其每秒需分发数以亿计的光量子，且这些光量子状态各异。将光量子比作硬币，星地实验的难度便如同从万米高空飞行的飞机上，持续且精准地将上亿枚硬币逐一投入地面一个旋转的存钱罐中，其精确度要求极高。量子之所以能够实现信息的高速传递，得益于其一系列独特的物理特性，这些特性使量子能够如《封神演义》中土行孙的遁地术般，瞬间消失并再现于他处。其中，“量子纠缠”特性尤为关键。
量子纠缠，即在特定条件下，两个微观粒子若处于纠缠态，无论相隔多远，对其中一个粒子的量子态进行任何改变，另一个粒子都会立即感知并作出相应变化。这一特性可类比于齐天大圣孙悟空与其分身，无论距离多远，都能做到“心有灵犀一点通”。“墨子号”正是利用量子纠缠这一特性，有效提升了二进制编码的效率。
“针尖对麦芒”的精准定位
“墨子号”量子通信卫星作为构建天地一体化通信网络的关键空间中转节点，肩负着光信号发射与传输的核心使命。如何确保距离地球表面数百公里高空的光信号能够精准、稳定地被地面光学天线接收，潘建伟院士以“针尖对麦芒”这一生动比喻，形象阐释了其中关键性实验技术所面临的极高难度。
量子卫星首席科学家潘建伟院士
潘建伟介绍，卫星所发射的光信号属于极其微弱的单光子级别，在从太空向地面传输的过程中，会遭遇多种因素的干扰。例如星光、灯光等各类光源都会成为信号传输的背景噪声，对光信号的接收造成严重影响。而且，卫星在太空中高速运动，地面光学天线需要时刻精准追踪卫星的运动轨迹，保持同步“节奏”，才有可能实现信号的准确接收。
因此，在“墨子号”量子通信卫星的设计阶段，科研团队就必须攻克两大难题：一方面要有效克服各类噪声的干扰，确保信号源的稳定性；另一方面要实现卫星与地面光学天线的高精度对接。尽管实验条件极为苛刻，如同“针尖对麦芒”般艰难，但在我国科学家的不懈钻研与努力下，这一技术难题最终得以成功攻克。
开启量子通信新时代
“墨子号”承担着解决信息安全问题的关键任务。采用量子通信技术，可有效杜绝电话被窃听的风险。量子通信密码在通信过程中随机生成，而非预先设定，确保了信息传输的不可窃听与不可破解性。
具体而言，“墨子号”发射后，会持续发送光子序列，可视为“天际密信”。这些光子抵达地面光学实验站后，由实验站进行解码，解码成功即实现通信。
量子卫星的成功发射，为我国构建广域量子通信体系、率先实现全球量子通信卫星网络建设奠定了坚实基础，标志着人类首次全球卫星与地面间的量子通信即将成为现实。
随着“天地一体化”量子通信网络的逐步完善，历经30余年研究的量子信息领域将迈入深化应用的新阶段。未来，量子通信不仅是全新的加密通信方式，更将成为新一代信息网络安全的核心技术，以及电子服务安全的重要支撑，为未来信息社会的可信行为提供关键保障。预计不久的将来，量子通信技术将如手机、电脑般普及，惠及广大民众。
参考来源：新华网、人民网、科普中国