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墨子号量子科学实验卫星

墨子号量子科学实验卫星

墨子号量子科学实验卫星（Micius Satellite for Quantum Science Experiments）是中国自主研制的世界上首颗空间量子科学实验卫星，是中国科学院空间科学先导专项首批科学实验卫星之一。

墨子号量子科学实验卫星重640公斤，主要组成部分包括“量子密钥通信机”“量子试验控制与处理机”“量子纠缠发射机”和“量子纠缠源”。其主要科学任务是开展高速星地量子密钥分发，星地量子纠缠分发，以及星地量子隐形传态实验。

墨子号量子科学实验卫星计划于2003年由潘建伟提出，2009年12月，墨子号量子科学实验卫星经中国科学院党组会审议，确定为拟于第一批启动的专项之一。2010年至2012年，墨子号量子科学实验卫星完成项目评审、科学目标凝练、有效载荷遴选、工程方案深化论证、立项综合论证等前期工作。2012年12月，量子科学实验卫星工程方案转初样研制阶段动员会召开，正式转入初样研制阶段。2014年，墨子号量子科学实验卫星完成结构热控星、电性星、鉴定星研制与试验，完成正样设计，完成初样阶段各大系统的技术对接。12月30日，量子科学实验卫星通过初样转正样阶段评审，正式转入正样研制阶段。次年12月6日，量子科学实验卫星系统与科学应用系统完成星地光学对接试验，验证了天地一体化实验系统能够满足科学目标的指标要求。2016年2月25日量子科学实验卫星工程完成大系统联试。2016年6月，墨子号完成正样星箭研制，完成正样阶段各大系统间技术对接，各系统做好执行任务准备，工程各大系统具备执行任务条件，2016年8月16日1时40分，在酒泉卫星发射中心，长征二号丁运载火箭成功将墨子号量子科学实验卫星发射升空。2022年，“墨子号”量子科学实验卫星首次实现了地球上相距1200公里两个地面站之间的量子态远程传输。

墨子号量子科学实验卫星使中国在量子通信领域进一步扩大了世界领先的优势。2016年底，“墨子号”和人类首次探测到引力波等重大成果共同入选英国《自然》杂志点评的年度国际重大科学事件；“墨子号”作为唯一诞生于美国本土之外的创新技术入选《科学美国人》评选的2016年度“改变世界的十大创新技术”。2019年，墨子号量子科学实验卫星成果获美国科学促进会（AAAS）克利夫兰奖。

发展沿革

名称来源

量子的概念，最早源自现代科学对光的认识，而人类历史上有记载的第一位系统研究光学的学者正是墨子。墨子不仅是中原地区先秦时期著名的思想家，也是中国早期最重要的科学家，同时还是中国军事史上第一位钻研军事科技、利用科学原理研发大量重型武器的技术专家。墨子还发现了《墨子》光学八条。《墨子》光学八条是现代科学家依据《墨子·经下》与《墨子·经说下》篇中记载的光学知识所整理出来的光学系统理论。墨子既论证了光、物、影的关系，又论证了镜、物、像的关系，对于更复杂的凹面镜、反光镜等成像原理也作了精确的判定。不但科学解释了种种光学现象，定义了“光”“影”“射”“像”“中”等一系列抽象概念，而且通过设计和操作严谨的科学实验进行实践论证，其方法、观点与现代几何光学一致，体现出高超的科学水平与严谨专业的研究态度。墨子的光学体系研究比古希腊欧几里得的光学早了大约一百年，达到了彼时全球的顶尖水平。因此，把中国量子卫星命名为“墨子号”。

历史背景

1900年的12月14日，马克斯·普朗克宣布创立了量子论。20世纪初，普朗克、尼尔斯·玻尔、海森伯格、埃尔温·薛定谔、沃尔夫冈·泡利、路易·德布罗意、马克斯·玻恩、恩里科·费米、保罗·狄拉克等物理学家共同创立了量子力学。量子力学是描写微观物质的一种物理学理论，与相对论一起被认为是现代物理学的两大基本支柱，许多物理学理论和科学如原子物理学、固体物理学、核物理学和粒子物理学以及其它相关的学科都是以量子力学为基础。

1935年，阿尔伯特·爱因斯坦对量子纠缠的评论为“鬼魅般的超距作用”。量子力学认为，两个处于量子纠缠态的粒子无论相隔多远，改变其中一个粒子的状态，另一个粒子的状态就会马上随之改变。这种状态之间的关联不需经典物理学中的力场或电场，其关联速度也可认为超过光速，这被称为“量子非定域性”。爱因斯坦对此表示怀疑，觉得这要能成立简直是“见鬼了”。　百余年来，量子力学的许多理论不断得到实验结果支持，催生了原子弹、激光、核磁共振、全球卫星定位系统等重大发明，改变了整个世界，被认为是“第一次量子革命”。而对阿尔伯特·爱因斯坦提出的质疑开展的持续研究，助推了量子调控技术的发展，催生了以量子通信和量子计算为代表的量子信息技术，被认为是开启了“第二次量子革命”。

1984年，IBM的两位工程师提出了全新保密通信方案，用量子物理学的极端特性来确保秘密不被窃取。该方案中，传送者用光子的不同偏振态来表示密钥，也就是按照直线或对角线偏振的方式发出不同的光子。如果有人企图窃听，他只有在中途拦截光子测量，然后按照测量值发送一个相同的粒子。每窃听一个光子，窃听者有四分之一的可能被发现。当密钥长度增长至72个光子时，窃听者不被发现的可能仅有十亿分之一。1989年，IBM实验室制造了一个叫“玛莎姨妈的棺材”的小盒子，其中光子携带着密钥走了30厘米，证实了量子保密通信可行。1991年，英国科学家又提出了一种新思路：用量子纠缠态来发密文。如果A和B各持有一个双胞胎粒子；A只要操作粒子，B就会得到同样的结果。这也是目前量子通信技术的理论基础。

研发背景

2001年，31岁的潘建伟从欧洲回国，在中科大组建了量子信息实验室。2003年，潘建伟和同事们已经萌生了“天地一体化”量子通信网的初步构想，“量子科学实验卫星”正是这个构想中的关键节点。2005年，潘建伟团队在世界上第一次实现13公里自由空间量子通信实验，证实光子穿透大气层后，其量子态能够有效保持，从而验证了星地量子通信的可行性。2006年，中科大的潘建伟团队在世界上首次利用诱骗态方案实现了超过100公里的光纤量子密钥分发；而美国和奥地利科学家随后也做到这一点。2008年，潘建伟团队发明了量子中继器，使得即将衰竭的光子将信息传给其他光子，被《自然》称赞为“清除了量子通信的一块拦路石”。

项目批准

2009年12月，空间科学先导专项参加战略性先导科技专项实施方案评议会，墨子号量子科学实验卫星在16个建议专项中名列前三名。经中国科学院党组会审议，确定为拟于第一批启动的专项之一。2010年3月31日，国务院第105 次常务会议审议通过中科院“创新2020”规划，由中科院组织实施战略性先导科技专项。9月25日，中科院组织召开战略性先导科技专项咨询评议会。空间科学先导专项作为8 个候选专项之一参加并通过了专家咨询评议。10月28日，空间科学先导专项实施方案通过空间科学先导专项实施方案论证评审。2011年12月14日，量子科学实验卫星项目完成立项综合论证。

项目启动

2011年12月14日量子科学实验卫星项目完成立项综合论证。2011年12月23日量子科学实验卫星工程启动暨动员会在京召开，标志着量子科学实验卫星正式进入工程研制阶段。

研发进程

初样研制

2012年，潘建伟领导的中科院联合研究团队在青海湖实现了首个百公里的双向量子纠缠分发和量子隐形传态，充分验证了利用卫星实现量子通信的可行性。2012年12月10日，量子科学实验卫星工程方案转初样研制阶段动员会召开，标志着量子科学实验卫星工程正式转入初样研制阶段。2013年，中国科学院设立了量子科学实验卫星战略先导专项计划，由中国科学技术大学、中科院各院所和航天八院共同攻关。2014年9月1至3日，中国科学院发展规划局组织召开空间科学先导专项中期检查专家评审会，专项顺利通过中期检查。12月，墨子号量子科学实验卫星完成结构热控星、电性星、鉴定星研制与试验，完成正样设计，完成初样阶段各大系统的技术对接。

正样研发

2014年12月30日，量子科学实验卫星通过初样转正样阶段评审，正式转入正样研制阶段。2015年12月6日，量子科学实验卫星系统与科学应用系统完成星地光学对接试验，验证了天地一体化实验系统能够满足科学目标的指标要求。2016年2月25日，量子科学实验卫星工程完成大系统联试。4月11日，运载火箭完成出厂评审。2016年6月，墨子号完成正样星箭研制，完成正样阶段各大系统间技术对接，各系统做好执行任务准备，工程各大系统具备执行任务条件。

研发机构

墨子号量子科学实验卫星项目是由中国科学技术大学的中国科学院量子信息与量子科技创新研究院牵头，中科院国家空间科学中心抓总负责，牵头负责地面支撑系统研制、建设和运行，对地观测与数字地球科学中心等，中国科学技术大学负责科学目标的提出和科学应用系统的研制，中科院上海微小卫星创新研究院抓总研制卫星系统，中科院上海技术物理研究所联合中国科学技术大学研制有效载荷分系，由中国科学技术大学、中国科学院上海技术物理研究所、上海微小卫星工程中心、中国科学院光电子研究所、国家天文中心等单位共同合作完成。

资料来源

发射成功

2016年8月16日1时40分，世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功发射升空。这将使中国在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信，构建天地一体化的量子保密通信与科学实验体系。发射当日11点30分，墨子号在轨运行8圈，情况良好。2017年1月18日，墨子号完成4个月的在轨测试任务后，正式交付用户单位——中国科学技术大学使用。

在轨运行

2017年8月10日，墨子号量子科学实验卫星提前并圆满实现星地间的量子密钥分发、量子纠缠分发、量子隐形传态全部三大既定科学目标，2019年2月14日，中国研究人员在美国华盛顿哥伦比亚特区说，墨子号量子科学实验卫星预计将超出预期寿命、继续工作至少2年以上。2020年12月29日，王建宇院士指出，超期服役的“墨子号”状态良好，洲际量子密钥分发、基于纠缠的无中继量子密钥分发等一系列实验相继进行。2022年5月，中国科学技术大学潘建伟院士及同事彭承志、陈宇翱、印娟等利用“墨子号”量子科学实验卫星首次实现了地球上相距1200公里两个地面站之间的量子态远程传输，向构建全球化量子信息处理和量子通信网络迈出重要一步。

研发目的

墨子号量子科学实验卫星是中国科学院空间科学战略性先导科技专项于2011年首批确定的五颗科学实验卫星之一，旨在建立卫星与地面远距离量子科学实验平台，并在此平台上完成空间大尺度量子科学实验，以期取得量子力学基础物理研究重大突破和一系列具有国际显示度的科学成果，并使量子通信技术的应用突破距离的限制，向更深的层次发展，促进广域乃至全球范围量子通信的最终实现。同时，该项目为广域量子通信各种关键技术和器件的持续创新以及工程化问题提供一流的测试和应用平台，促进空间光跟瞄、空间微弱光探测、空地高精度时间同步、小卫星平台高精度姿态机动、高速单光子探测等技术的发展，形成自主的核心知识产权。

墨子号量子科学实验卫星专项的主要科学目标为：进行星地高速量子密钥分发实验，并在此基础上进行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；在空间尺度进行量子纠缠分发和量子隐形传态实验，开展空间尺度量子力学完备性检验的实验研究。

星地高速量子密钥分发实验

星地高速量子密钥分发实验在高精度捕获、跟踪、瞄准系统的辅助下，在实现地面与卫星之间建立超远距离的量子信道的基础上，进行卫星与地面之间、基于诱骗态的量子密钥生成和分发，实现卫星与地面之间以量子密钥为核心的绝对安全的保密通信试验。

广域量子通信网络实验

广域量子通信网络实验将在实现高速星地量子密钥分发的基础上，与两个光学地面站及其附属的两个局域光纤量子通信网络相结合，通过卫星中转的方式组建真正意义的广域量子通信网络。

星地量子纠缠分发实验

星地量子纠缠分发实验中，卫星上的量子纠缠光源同时向两个地面站分发纠缠光子，在完成量子纠缠分发后，对纠缠光子同时进行独立的量子测量。通过对千公里量级量子纠缠态的观测，开展空间尺度量子力学完备性检验的实验研究。

地星量子隐形传态实验

地星量子隐形传态实验将在量子存储的帮助下，探索卫星与地面之间远距离的真正意义及量子隐形传态的可行性，在类空间条件下完成量子力学非定域性的实验检验。

技术特点

通信安全

基于量子不可分割、不可复制两个基本特性，加上超远距离的量子纠缠效应，实现绝对安全的保密通信。量子密钥分发实验采用卫星发射量子信号，地面接收的方式，“墨子号”量子卫星过境时，与河北兴隆地面光学站建立光链路，通信距离从645公里到1200公里。在1200公里通信距离上，星地量子密钥的传输效率比同等距离地面光纤信道高20个数量级（万亿亿倍）。卫星上量子诱骗态光源平均每秒发送4000万个信号光子，一次过轨对接实验可生成300 kbit的安全密钥，平均成码率可达1.1 kbps。

精度控制

首先要把卫星上的光轴和地面实验站的光轴对准，然后再从500公里开外把肉眼根本看不见的光量子从天下打下，该对准精度比普通卫星的对准精度高出十倍。

天地通讯

地面光纤已实现城市内的量子通信，“京沪干线”也已建成，但是光量子在长距离光纤中损失较大、而在空中损失较小，因此量子卫星上天可有效解决这一问题。墨子号可以在千公里外的外太空以10kbps的速率给地面站分发量子密钥，比地面同距离光纤量子通信水平提高了15个数量级以上。

设备小型化

墨子号卫星应用研究成果，发展起来的高效星地链路收集技术，可以将量子卫星载荷重量由原来的几百千克降低到几十千克以下，将地面接收系统的重量由现有的10余吨大幅降低到100千克左右，实现接收系统的小型化、可搬运，为将来卫星量子通信的规模化、商业化应用奠定基础。

先进涂料

墨子号采用柔性薄膜热控涂层，使用的宽幅导电型F46薄膜镀银二次表面镜是在宽幅防静电F46薄膜镀银二次表面镜基础上研发成功的一种全新的低吸辐比柔性薄膜二次表面镜，具有更为可靠的空间防静电性能。该型柔性薄膜二次表面镜在2015年3月30日发射成功并投入运行的“新一代北斗导航卫星”，以及2015年12月17日发射成功的暗物质粒子探测卫星“悟空”上也得到了应用。下裙铝合金光亮氧化热控涂层采用了化学的方法，在卫星下裙表面原位生长了一层具有低太阳吸收比、高红外发射率的热控涂层材料。本次研制的热控涂层突破了热辐射指标要求高及卫星下裙尺寸大、形状复杂程度高等涂层制备难点。获得的涂层由氧化铝构成，具有硬度高、空间稳定性好的特点，为卫星与运载火箭的在轨分离及在轨长期正常运行提供重要保障。

系统组成

根据量子科学实验卫星的特点和实际需求，项目设置了工程总体和六大系统。工程总体负责制定工程研制计划，编制工程顶层文件，组织工程重大活动，协调系统间问题，同时对工程整个研制过程进行监督和管理。

卫星系统

卫星系统负责卫星平台和有效载荷的研发，量子卫星是个边长只有1.7米左右的立方体，体重640公斤。量子卫星的内部可以分为上下两层，就像楼房一样是复式结构。下层是电源、测控等常规的卫星平台；上层是四个量子卫星特有的部件。载荷包括量子密钥通信机、量子纠缠发射机、量子纠缠源和量子实验控制与处理机。卫星系统由中科院微小卫星创新研究院负责，其中有效载荷由中科院上海技术物理研究所、中科大、中科院上海光机所研制。

运载火箭系统

运载火箭系统总体由上海航天技术研究院承担，主要负责运载火箭的研制和生产。用于墨子号量子科学实验卫星发射的火箭是由中国航天科技集团八院总研制的长征二号丁运载火箭，这是一种常温液体运载火箭。这次发射是长征二号丁运载火箭第29次飞行、长征系列运载火箭第234次飞行。长征二号丁运载火箭于1990年2月启动研制，是在长征四号甲火箭基础上减少三子级，并进行适应性改进形成的火箭，主要用于发射近地轨道返回式卫星和太阳同步轨道，具有可靠性高和经济型好的特点。

发射场系统

酒泉卫星发射中心主要承担运载火箭和量子科学实验卫星的测试、发射任务，并提供地面技术支持与勤务保障。发射场系统由北京特种工程设计研究院负责。

测控系统

测控系统由北京跟踪与测量技术研究所负责。负责对运载火箭主动段提供测控支持，向地面支撑系统传输原始遥测数据，接收地面支撑系统传送的科学实验数据并完成数据的上行发送和下行接收

地面支撑系统

中科院国家空间科学中心责地面支撑系统，负责提供实验任务运行控制管理、数据接收、预处理、管理和归档等公用性支撑服务

科学应用系统

科学应用系统负责整个量子科学实验卫星工程科学实验计划的制订、科学实验的实施、科学数据和应用的处理传输存储管理与发布，其系统配置为：1 个中心――合肥量子科学实验中心，4 个站――南山、德令哈市、兴隆、丽江量子通信地面站，1 个平台―― 阿里量子隐形传态实验平台。科学应用系统由中科大担纲，光电技术研究所、国家天文台、紫金山天文台共同参与。

运行历程

2017年6月15日，美国《科学》报道了中国“墨子号”量子卫星首次实现上千公里量子纠缠的消息，相较于此前144公里的最高量子传输距离纪录，这次跨越意味着绝对安全的量子通信离实用又近了一步。2017年6月16日，“墨子号”量子卫星从星空向地面发出两道光，象征量子通信向实用迈近一大步。2017年8月10日“墨子号”的地星量子隐形传态实验成果，发表在国际权威学术期刊《自然》杂志上，代表了远距离量子通信持续探索中的重大突破。2017年8月12日，墨子号取得最新成果——国际上首次成功实现千公里级的星地双向量子通信，为构建覆盖全球的量子保密通信网络奠定了坚实的科学和技术基础，墨子号量子科学试验卫星成功完成千里纠缠、星地传密、隐形传态三大实验目标。2017年9月，中国物理学家与维也纳大学合作，将墨子号的量子密钥下载到维也纳附近的地面站。中国与奥地利合作使用墨子号在相距约 7400公里的北京和维也纳之间共享 QKD 密钥。2018年1月，“墨子号”量子科学实验卫星在中国和奥地利之间首次实现距离达7600公里的洲际量子密钥分发，并利用共享密钥实现加密数据传输和视频通信。该成果标志着“墨子号”已具备实现洲际量子保密通信的能力，为未来构建全球化量子通信网络奠定了基础。

2020年5月，墨子号量子科学实验卫星实现安全时间传递，这是在国际上首次实现量子安全时间传递的原理性实验验证，为未来构建安全的卫星导航系统奠定了基础，将极大地推动量子精密测量相关领域的研究和应用。2020年6月，“墨子号”量子科学实验卫星在国际上首次实现千公里级基于纠缠的量子密钥分发。该实验成果不仅将以往地面无中继量子保密通信的空间距离提高了一个数量级，并且通过物理原理确保了即使在卫星被他方控制的极端情况下依然能实现安全的量子通信，取得了量子通信现实应用的重要突破。2022年，“墨子号”量子科学实验卫星首次实现了地球上相距1200公里两个地面站之间的量子态远程传输。

所获荣誉

2016年底，美国《科学美国人》评选“墨子号”量子卫星作为仅有诞生于美国本土之外的创新技术，入选2016年度“改变世界的十大创新技术”。2018年12月，“墨子号”量子科学实验卫星洲际量子密钥分发成果入选美国物理学会 2018年度国际物理学十大进展。2019年1月31日，美国科学促进会（AAAS）宣布，“墨子号”量子科学实验卫星成果获克利夫兰奖。

意义和影响

墨子号量子科学实验卫星成功完成任务，标志着中国在国际上首次成功实现千公里级的星地双向量子通信，在全球构建了首个天地一体化广域量子通信网络雏形，为未来实现覆盖全球的量子保密通信网络迈出了坚实的一步。

墨子号量子科学实验卫星使中国在量子通信领域进一步扩大了世界领先的优势，并且作为中国基础物理研究和航天工程两个领域的完美结合，凸现了中国的综合科技实力。“墨子号”从研制过程到成功发射均引起了社会上的广泛关注和国际学术界的高度评价。中国中央电视台在卫星发射前夕做了一系列跟踪报道，并对卫星发射过程做了全程直播。“墨子号”成功发射后，激起了公众对量子科技的浓厚兴趣。包括英国《Natural》杂志、美国《科学》杂志、《科学美国人》、英国《新科学家》、《纽约时报》、英国广播公司（BBC）等众多国际知名学术和公共媒体都对“墨子号”进行了专题报道，美国航空航天局（NASA）也在其官网上对“墨子号”发射任务给出了详细的介绍。2016年底，“墨子号”和人类首次探测到引力波等重大成果共同入选英国《自然》杂志点评的年度国际重大科学事件；“墨子号”作为唯一诞生于美国本土之外的创新技术入选《科学美国人》评选的2016年度“改变世界的十大创新技术”；世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”成功发射入选由中国科学院、中国工程院主办，两院院士评选的2016年“中国十大科技进展”。《华尔街日报》针对中国科技的高速发展给出了标题为“沉寂了一千年，中国誓回发明创新之巅”的专题文章，将“墨子号”量子科学实验卫星作为中国创新能力提升的重要标志。

发展前景

中国后续还计划发射“墨子二号”“墨子三号”。由于单颗低轨卫星无法覆盖全球，同时由于强烈的太阳光背景，截至2022年的星地量子通信只能在夜间进行。要实现高效的全球化量子通信，还需要形成一个卫星网络。按照规划，一个由几十颗量子卫星组成的“璀璨星群”，将与地面量子通信干线“携手”，支撑起“天地一体”的量子通信网。到2030年左右，中国力争率先建成全球化的广域量子保密通信网络。在此基础上，构建信息充分安全的“量子互联网”，形成完整的量子通信产业链和下一代国家主权信息安全生态系统

2018年美国出台了《量子信息科学国家战略纲要》，欧盟于2018年正式启动“量子旗舰计划”，10年计划投入10亿欧元。德国于2018年发布“联邦量子技术计划”，1期投入6.5亿欧元;在新冠肺炎疫情后的经济刺激计划中，特设“量子专项”，再投入20亿欧元。1993年英国国防部将该纪录提高到10公里。但是得到单个光子源，减少光子信号传输中的损耗，都是实际应用面临的困难。