2017年6月16日，中国首颗量子科学实验卫星“墨子号”登上了美国《科学》杂志封面，“墨子号”发出两道红光直射地球，红光之间赫然显示“QuantumReach”——量子到达，暗示量子通信实验首次真正从地面到达宇宙空间。杂志刊发了中国科学技术大学教授、量子卫星项目首席科学家潘建伟等人的论文。

“墨子号”登上美国《科学》杂志封面

2016年8月，我国自主研发的世界首个量子科学实验卫星——“墨子号”发射成功，人类首次迈向真正意义上的卫星和地面之间的量子通信。“墨子号”拥有三大科学任务：星地量子纠缠分发及非定域性检验、星地量子密钥分发、星地量子隐形传态。本次《科学》杂志报道的正是星地量子纠缠分发及非定域性检验实验成果。

“墨子号”量子科学实验卫星成功发射

量子纠缠是量子世界中的特有现象，拥有量子纠缠的两个实体即便相距遥远，也能产生鬼魅般的相互作用。量子纠缠分发和非定域性实验验证从上世纪80年代开始，此前，虽然科学家在不同实验平台和环境下完成了量子纠缠分发和非定域性检验，但是这些实验受限于地面信道损失，量子纠缠的分发距离只能达到百公里量级。长距离量子纠缠分发不仅有助于验证量子纠缠在更大尺度上的非定域性，也有助于推广量子纠缠分发的一个重要应用：构建全球量子通信网络。利用基于量子卫星的千公里级量子纠缠分发技术，人类可以实现远距离的量子保密通信，从而极大提升目前的通信安全水平。

在通往实现全球量子通信网络的道路上，中科大潘建伟院士团队已经走过了十几年的风雨历程。早在2005年4月，团队成功实现了13公里自由空间纠缠光子分发，这是当时国际上自由空间纠缠光子分发的最远距离；2010年6月，团队成功完成了16公里量子隐形传态的实验验证，该距离比此前的世界纪录提高了20多倍；2012年8月，他们在国际上首次实现了百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发，为发射全球首颗“量子通信卫星”奠定技术基础；2013年4月，团队首次实现了移动飞行热气球与地面的量子密钥分发实验，该实验模拟了所有地轨卫星的重要环境参数，完成了星地量子密钥分发实验的可行性测试……这些成果支撑了“墨子号”成为一颗“全能”的量子卫星。此外，2016年，奥地利科学院和维也纳大学与中国达成合作意向，在维也纳和格拉茨设置量子通信地面站，计划通过“墨子号”在中国与奥地利维也纳之间建立一个国际量子密钥分发信道。

兴隆站跟踪“墨子号”量子科学实验卫星的实景拍摄

“墨子号”量子纠缠实验完成之际，国外科学家纷纷表示震惊和祝贺。加拿大卡尔加里大学物理学家沃夫冈•迪塔尔表示：“我已经被中国团队的结果震惊了，我个人之前看到量子卫星发射后，并不确定能获得什么结果，也不确定他们是否能用它实现技术突破。”加拿大滑铁卢大学量子项目成员托马斯•詹内怀恩表示，他们以及世界上的其他团队现在正在追赶中国团队，他认为：“这是个伟大的成就，他们大胆地提出了想法并且成功地实现了它，很明显他们是量子卫星的世界领跑者。”新加坡国立大学物理学家亚历山大•林表示：“完成该实验极具挑战，同时也给了我们很大鼓舞。”

近年来，世界主要发达国家均加快了量子卫星的研发速度。2013年4月，德国航空航天中心（DLR）研究人员就成功地通过激光束将量子信号从飞机上发送至地面站，实现了量子密钥分发实验；2015年7月，意大利研究团队将量子信号从地面站发射到现有卫星系统，然后对经光学反射返回地面站的信号进行探测，完成了量子卫星的原理性实验验证；今年4月，由英国、德国、奥地利、荷兰、新加坡等国家研究员组成的研究团队提出了一项立方体卫星量子通信计划(CQuCoM)，该计划将探索先进的纳米卫星有效载荷和操作，并为实现用于提供量子密钥分发服务的可信低轨卫星节点建立基础；近日，加拿大滑铁卢大学研究团队经过8年的努力，实现了由地面发射站到机载量子接收器的量子密钥分发实验验证，为其未来实施量子卫星通信提供了可行性验证；此外，欧洲和美国研究团队正在计划将量子设备送往国际空间站进行实验。

德国飞机地面量子密钥分发实验中使用的Dornier 228飞机

如今，全球主要发达国家正借助中国的成功经验加速发展量子卫星通信技术，一个量子通信空间竞赛的大幕已经拉开。