“墨子号”：全球首颗量子科学实验卫星的创新之路

“墨子号”：全球首颗量子科学实验卫星的创新之路

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求是理论网

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来源

1.

http://www.qstheory.cn/2024-10/09/c_1130208123.htm

2.

https://www.stdaily.com/web/gdxw/2025-01/15/content_286562.html

3.

https://new.qq.com/rain/a/20240913A08AD900

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https://digitalpaper.stdaily.com/http_www.kjrb.com/kjrb/html/2025-01/14/content_583367.htm?div=0

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https://www.cas.cn/cm/202410/t20241009_5035148.shtml

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https://www.jfdaily.com/wx/detail.do?id=749574

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https://www.chinaerospace.com/article/show/f60a6979f16ab0b94aae649c0d571432

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https://news.ustc.edu.cn/info/1056/90151.htm

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https://www.ourchinastory.com/cn/12565/%E4%B8%96%E7%95%8C%E9%A6%96%E9%A2%97%E9%87%8F%E5%AD%90%E7%A7%91%E5%AD%A6%E5%AE%9E%E9%AA%8C%E5%8D%AB%E6%98%9F%E2%80%9C%E5%A2%A8%E5%AD%90%E5%8F%B7%E2%80%9D%E5%8F%91%E5%B0%84

10.

https://www.mittrchina.com/news/detail/14246

2016年8月16日，世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”在酒泉卫星发射中心成功发射，这标志着中国在量子通信领域迈出了具有里程碑意义的一步。这颗卫星不仅实现了星地量子通信的突破，更为构建全球化量子通信网络奠定了坚实基础。

量子密钥分发（Quantum Key Distribution，QKD）是量子通信的核心技术之一。与传统加密方式不同，QKD利用量子力学的基本原理——量子态不可克隆定理，确保了密钥分发过程的绝对安全性。任何试图窃听或测量量子态的行为都会不可避免地改变其状态，从而被合法通信双方察觉。

基于卫星的量子密钥分发具有独特优势：

• 远距离通信：地面光纤传输的量子信号在200公里以上就会几乎被完全吸收，而利用卫星作为中转站，可以极大地延长量子通信距离。
• 全球覆盖：通过构建由低轨和中高轨卫星组成的“量子星座”，可以实现全球范围内的量子安全通信。
• 抗量子计算攻击：面对未来可能实现的量子计算机，QKD提供了传统加密算法无法比拟的安全保障。

“墨子号”的研制过程充满了挑战和创新。2003年，中国科学技术大学教授、中国科学院院士潘建伟提出了利用卫星实现量子通信的设想。这个“疯狂的想法”在当时面临着巨大的技术障碍：

• 高精度捕获跟瞄技术：需要在高速运动的卫星与地面站之间实现精确对准，精度相当于从上海向北京发射一束光并准确照射到一扇窗户上。
• 高灵敏能量分辨探测技术：在极端微弱的光信号中准确识别单个光子。
• 星载量子光源技术：在太空环境中稳定产生高质量的纠缠光子对。

经过科研团队的不懈努力，这些技术难题逐一被攻克。2016年8月，“墨子号”成功发射，开启了人类量子通信的新篇章。

“墨子号”在轨运行期间取得了多项重大科学成果：

• 千公里级星地双向量子纠缠分发：首次在空间尺度验证了量子纠缠的非局域性。
• 星地量子密钥分发：实现了从卫星到地面的千公里级量子密钥分发，为构建量子保密通信网络奠定了基础。
• 洲际量子密钥分发：成功完成北京—维也纳之间的洲际量子密钥分发，展示了全球化量子通信的可行性。

“墨子号”的成功只是中国量子通信发展的第一步。目前，我国正在推进以下几项关键技术研发：

• 量子中继技术：研究可支持上千公里量子通信的中继方案，有望在未来5~6年内实现远距离城际光纤量子传输。
• “量子星座”计划：计划在2026年底发射中高轨量子卫星，与低轨量子卫星一起构建覆盖全球的量子通信网络。

量子通信技术的未来发展将带来深远影响：

• 时间标准：研制精度达到10-21的高精度光钟，相当于10万亿年误差不超过1秒。
• 引力波探测：利用万公里级量子纠缠分发，构建量子增强的光学合成孔径望远镜，大幅提升空间分辨能力。
• 量子互联网：最终实现天地一体的广域量子通信网络，为信息安全、精密测量等领域提供全新技术手段。

“墨子号”的成功不仅是中国在量子通信领域的重大突破，更是人类探索量子科技的重要里程碑。它展示了中国在科技创新领域的决心和实力，也为全球量子通信技术的发展开辟了新的方向。