墨子号量子卫星和地面兴隆站进行的通信试验
今天下午，微博认证为中国科学院高能物理研究所研究员曹俊的网友@曹俊IHEP 发布了这样一条微博：墨子号量子卫星和地面兴隆站进行的通信试验，红光为地面发射，绿光为墨子号发射 （感谢韩越阳提供照片）。
很科幻、很高大上有木有！
原来这是世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”与地面进行试验的画面。
微博说明为“ 现任中科院量子信息卓越创新中心副研究员”的网友@九维空间Sturman 解释说，照片中的两束光是信标光，对准卫星的地面两个望远镜做高速跟瞄用的，不是用来做量子通信实验的光(通信用单光子人们的肉眼也看不到)。绿色532纳米从星到地，红色810纳米从地到天。
他说，卫星和地面站各有一个望远镜来收和发量子通信的单光子，所以需要旁边用信标激光来瞄准。
至于为什么照片有红绿光的效果，@曹俊IHEP 补充说，曝光200秒，所以看到一条线。
@九维空间Sturman 还透露，25日，兴隆站和量子卫星成功激光光束对接，26日晚，阿里站和量子卫星成功激光光束对接。这种对接有多难：500km的轨道高度，第一宇宙速度，200mm口径的望远镜，难度相当于你站在五十公里以外把一枚一角硬币准确地扔进一列全速行驶的高铁上的一个矿泉水瓶里！
据量子科学实验卫星首席科学家潘建伟此前介绍，“墨子号”承担着发射和传输光信号的重要任务，要想保证距离地球表面数百公里的光信号能够顺利被地面光学天线接收，难度就好比是“针尖对麦芒”一样。
他解释说，由于卫星发射的光信号是极其微弱的单光子级别，在由空间向地面传输的过程中会受到许多因素的干扰，比如星光、灯光等都将成为干扰信号传输的背景噪声。此外，卫星的运动速度很快，地面的光学天线必须时刻紧跟卫星的“节奏”才有可能实现信号的准确接收。所以，在“墨子号”量子通信卫星的设计过程中，不仅要克服各种噪声的干扰保证信号源的稳定，同时还要实现与地面光学天线的准确对接。尽管是如同“针尖对麦芒”般苛刻的实验条件，但是在我国科学家的不懈努力下，如此不可思议的技术难题也依然得到了解决。
8月16日1时40分，我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将“墨子号”发射升空。
“墨子号”量子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，其主要科学目标是借助卫星平台，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。
除此以外，“墨子号”还将搭载第二代激光实验系统，用新方法实现更高的信息传递速率。
工程还建设了包括南山、德令哈、兴隆、丽江4个量子通信地面站和阿里量子隐形传态实验站在内的地面科学应用系统，与量子卫星共同构成天地一体化量子保密通信与科学实验体系。
8月17日11时56分24秒，中科院遥感与数字地球研究所所属中国遥感卫星地面站密云站在第23圈次成功跟踪、接收到我国首颗量子科学实验卫星“墨子号”首轨数据。
延伸阅读：
首席科学家谈墨子号三大任务 中国获多个世界首次
中国领跑量子太空竞赛——对话量子科学实验卫星首席科学家潘建伟（8月25日 解放军报）
写在前面
这是一场人与自然的角力。
自上世纪末以来，人类对自然界的能量最小单位——量子的认知，开始突破瓶颈达到新的高度，催生了量子信息科学。量子信息研究以量子通信等领域为切入口，逐渐迎来了“全速发展期”。
而在此当中，很多个“世界首次”，均来自于“中国队”。从首次成功实现量子态隐形传送以及纠缠态交换，首次实现安全通信距离超过100公里的光纤量子密钥分发，到建成国际上首个规模化量子通信网络，中国科学家逐步跻身于国际一流的量子信息研究行列，量子通信的产业化也在中国科学家的全力推动下得到快速发展。
随着量子科学实验卫星“墨子号”的顺利升空，中国成为全球第一个在卫星和地面之间进行量子通信实验的国家。这场长跑竞赛，不仅是各国科学家之间的创新之争，更是人类有限的认知与无尽的自然奥秘之间的角力。
量子通信利用微观世界的最小单元，实现了信息永远不会被破解的奇迹。
把量子实验“搬”上太空
问：当大多数人满足于在实验台上研究量子信息时，您已经开始思考如何能够在太空中实现信息的隐形传送。为什么一定要把量子实验“搬”上太空？
答：突破经典信息技术的瓶颈，对于保护国家和公民的信息安全至关重要，对发展下一代信息产业也有着深远影响。量子通信是迄今唯一被严格证明为无条件安全的通信方式。量子不可分割、不可克隆，所以能保证加密内容不被破译。它可以从根本上保障信息安全、保护全人类的隐私。
不同于经典通信，量子保密通信的安全性是建立在量子物理基本原理的基础上，从原理上讲是无条件安全的。然而，由于光纤的固有损耗，在光纤中实现远距离量子通信面临着巨大的挑战。在1000公里光纤中进行点对点量子通信，每300年也只能传输一个比特。因此，要实现覆盖全球的广域量子保密通信，还需要借助卫星中转。另一方面，卫星也为大尺度的量子物理基本问题实验检验提供了天然的平台。
5月25日，在量子保密通信上海总控中心内，量子科学实验卫星首席科学家、中国科学技术大学教授、中科院量子信息与量子科技前沿卓越创新中心主任潘建伟院士演示实用化量子通信产品进行远距离保密通话。
担负多项科学实验任务
问：“墨子号”量子科学实验卫星主要的科研任务有哪些？
答：首先，通过量子卫星实现卫星和地面的量子密钥分发，从而实现广域的量子保密通信。光纤传输的过程中信号损失相当严重，如果人类想实现远距离量子通信传输就必须建立多个安全可信的信号中继站，这无疑大大增加了信息泄露的几率。科学家经过研究发现，光在穿透大气层的过程中能量损失仅为百分之二十，利用空间中的量子卫星作为地面网络的中转站，可以将地面多个城市中建立起的城际量子通信网络连接起来，极大地提高量子通信的效率。
其次，“墨子号”还承担着对量子力学本身的基本原理进行检验的实验任务。量子纠缠态是量子力学中的一个经典现象，量子卫星把这个实验带到外层空间，将在国际上首次实现千公里量级的量子非定域性实验检验，对于人类加深对量子力学基础理论的认识具有重要意义。
第三，“墨子号”将连接中国和奥地利之间的量子通信网，以证明全球规模的量子通信网络设想是可行的。作为建设“天地一体化”通信网络的重要组成部分，“墨子号”量子卫星与普通卫星相比存在着巨大的差异。发射升空的量子卫星以及多个地面观测站，共同组成了前所未有的覆盖地面和空间的巨大实验网络。
“墨子号”如何实现精准定位
问：“墨子号”量子通信卫星如何保证距离地球表面数百公里的光信号能够顺利被地面光学天线接收？
答：作为天地一体化的空间中转站，“墨子号”量子通信卫星承担着发射和传输光信号的重要任务，要想保证距离地球表面数百公里的光信号能够顺利被地面光学天线接收，难度就好比是“针尖对麦芒”一样。
由于卫星发射的光信号是极其微弱的单光子级别，在由空间向地面传输的过程中会受到许多因素的干扰，比如星光、灯光等都将成为干扰信号传输的背景噪声。此外，卫星的运动速度很快，地面的光学天线必须时刻紧跟卫星的“节奏”才有可能实现信号的准确接收。所以，在“墨子号”量子通信卫星的设计过程中，不仅要克服各种噪声的干扰保证信号源的稳定，同时还要实现与地面光学天线的准确对接。尽管是如同“针尖对麦芒”般苛刻的实验条件，但是在我国科学家的不懈努力下，如此不可思议的技术难题也依然得到了解决。
构建广域量子通信网络
问：作为空间科学先导专项的科学实验卫星之一，也是世界上首颗以量子科学实验为目的的科学卫星，量子科学实验卫星的研制发射将带来怎样的意义？
答：量子科学实验卫星的发射成功，在国际上率先实现了高速星地量子通信。结合地面即将建成的“京沪干线”千公里级广域量子通信骨干网络，可以初步构建我国空地一体的广域量子通信体系，为率先建成全球化的量子通信网络奠定基础。
一个天地一体的全球化量子通信基础设施建成以后，能为未来的互联网提供基于量子通信技术的安全保障，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。
同时，量子科学实验卫星的研制也将促进空间光通信、空间单光子探测、星地高精度时间同步等技术的发展，在量子通信技术实用化整体水平上保持和扩大国际领先地位，实现国家信息安全和信息技术水平跨越式提升。
从原始创新到成果转化
问：您曾在接受媒体采访时提到，科学家不仅要关注原始创新，也要鼓励成果转化。您认为在空间科学发展方面刚刚起步的中国，应该如何进一步推动我国空间科学发展与社会科技进步？
答：我国以往的空间计划中，大多是为了应用的目的，以科学家为主导的、特别是以基础研究为目的的项目尚未形成专门系列。基础和应用从来都是相辅相成的，比如我们从事的量子信息研究，正是起源于对量子力学基本问题的研究，随着量子调控技术的进步而产生了包括量子通信在内的量子信息科技；在推进量子通信技术的实用化过程中，产生了发射卫星的需求，使得我们进一步发展技术，而星地量子通信又为更加深入地检验量子力学的基本原理提供了平台；量子科学实验卫星发射成功后，又可以推动空间光跟瞄、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，如此形成一个良性循环。
小知识
“接地气”的量子
多年来，科学家致力于运用量子世界种种奇异的性质开拓出适用于经典世界的新技术，将被公众认为高深莫测的量子物理从云端落地到凡尘，服务社会大众。
其实，量子理论是一门非常实用的学科。早在第二次世界大战之前，它的原理就已经被运用于分析金属和半导体的电学和热学性质。战后，晶体管和激光器这两个运用量子理论原理的广为人知的装置，更是极大地推动了信息革命的发展。
到本世纪初，我们周围随处可见直接或间接运用量子理论的技术和装置。从常见的CD唱片机到庞大的现代光纤通信系统、从无水涂料到激光制动车闸、从医院的核磁共振成像仪到隧道扫描显微镜……量子技术已经渗透到我们的生活中。
量子计算的应用非常广泛，不仅可以解决大规模的计算难题，破解经典密码，进行气象预报、药物设计、金融分析、石油勘探，而且还能揭示新能源新材料、高温超导、量子霍尔效应等复杂的物理机制。
不过，量子纠缠“分身术”的特性有一个更为直接的应用，便是量子保密通信。
现在被认为最安全的信息传递方式是光纤通讯。光缆能把所有的光能限制在光纤里，外面得不到能量，所以这个传输被认为是安全的。但随着科技发展，只需让光缆泄漏哪怕很少一部分能量，我们就能够窃听光缆传递的信号。
这是因为经典通信的信号只有0和1，发生窃听时，这两种信号不会被扰动。比方说，两人打电话时，他人可通过窃听器从通信线路中的上千万个电子中分出一些电子，使其进入另一根线路，从而实现窃听，而通话者无法察觉。“棱镜门”事件便是最好的例证。
而量子通信则完全不会出现这个问题，这是因为其密钥具有不可复制性和绝对安全性。一旦有人窃取密钥，整个通信信息就会“自毁”并告知使用者。
比如，甲、乙二人要进行安全通信，甲发出的光子信息假设有人窃听，由于光子不可分割，首先窃听者根本无法分割出“半个光子”；其次，因为单次测量测不准、不可克隆的量子态特性，窃听者无法复制信息；第三，一旦窃听者截获光子，乙就收不到信息，也就不存在窃听。
诚然，神秘的量子世界令人着迷，亦令人困惑。人们所感受到的量子技术还只是冰山一角，在探寻量子世界奥秘的旅程中，人们仍在孜孜以求。
5月25日，在中国科学院上海微小卫星工程中心，量子科学实验卫星总设计师朱振才（右四）、副总设计师周依林（左四）与工作人员在量子卫星旁合影留念。（新华社记者 才扬 摄）
资料链接
“墨子号”大事记
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，并在16个建议专项中名列前三名。
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。
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。
2016年8月16日凌晨1时40分，我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空。
2016年8月16日1时40分，我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将世界首颗量子科学实验卫星（简称“量子卫星”）发射升空。此次发射任 务的圆满成功，标志着我国空间科学研究又迈出重要一步。量子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，其主要科学目标是借助卫星平台，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。
