“墨子号”：让一个“疯狂设想”变为现实
“墨子号”：让一个“疯狂设想”变为现实
在浩瀚的星空里，有一颗卫星独一无二——它在世界上首次实现卫星和地面之间量子通信，初步构建"天地一体化"量子保密通信体系。它就是由中国自主研制的量子科学实验卫星"墨子号"。从2003年萌发量子卫星通信的设想，到2017年"墨子号"预定科学实验任务全部完成，中国科学家历经14年，从跟跑、并跑到领跑"冲刺"的背后，是他们追求原创、寸积铢累、协同攻关的故事。
图1："墨子号"过境新疆乌鲁木齐南山站全貌
1996年，从中国科大硕士毕业的潘建伟前往奥地利攻读博士学位。1997年，潘建伟与同事首次在国际上实现量子隐形传态，这一成果被认为是量子信息实验研究的"开山之作"。随后，量子信息在国际上蓬勃发展，但那时国内的量子信息研究几乎是一片空白，不仅少有人懂，有时甚至还被认为是"伪科学"。
2001年，31岁的潘建伟回国，在中国科大组建量子物理与量子信息实验室，独立开始量子信息研究。仅2003年一年，潘建伟研究组作为第一单位发表7篇论文。但潘建伟想做的事不止于此，彼时，他萌生了一个近似"疯狂的设想"：利用卫星实现远距离量子纠缠分发。
图2：潘建伟实验团队在讨论数据
2003年至2005年，潘建伟团队完成了中国自由空间量子通信领域的"开山之作"，全球首次13公里自由空间量子纠缠分发和量子通信实验，证实了量子纠缠能够穿透大气层。2006年，潘建伟向中国科学院提出自己的"疯狂设想"。2007年，中国科学院启动两项知识创新工程重大项目，在两大项目的支持下，潘建伟团队进行了模拟星地间传输损耗，用热气球等移动物体模拟量子卫星运动等重要实验，这些为后来的"墨子号"奠定了坚实的技术基础。
2011年1月，潘建伟团队迎来一个关键的转折点，中国科学院启动战略性先导科技专项"空间科学"，"量子科学实验卫星"等4颗科学卫星入选。2011年12月，卫星工程立项综合论证报告通过专家评审。最终，经过5年艰苦攻关，量子科学实验卫星"墨子号"终于成功研制。
激动人心的时刻到了，2016年8月16日，世界首颗量子科学实验卫星"墨子号"发射升空，中国率先将量子科学实验卫星的设想变成了现实。
图3：2016年8月16日，“墨子号”在酒泉卫星发射中心发射升空
2017年6月16日，"墨子号"迎来升空后第一个重大成果，在国际上首次实现千公里级星地双向量子纠缠分发实验，并在此基础上实现空间尺度下严格满足"爱因斯坦定域性条件"的量子力学非定域性检验。2017年8月10日，"墨子号"再次完成两项重大突破，首次实现卫星到地面的千公里级量子密钥分发，首次实现地面到卫星的千公里级量子隐形传态，"墨子号"提前并圆满实现全部三大既定科学目标。
2017年9月29日，中国科学院与奥地利科学院两个团队利用"墨子号"开展了北京-维也纳7600公里的洲际量子密钥分发，打通了"天地一体化"量子保密通信链路，向实现覆盖全球的量子保密通信网络迈出了坚实一步。
"墨子号"项目的实施还在国际上引发了一股"量子"潮流。美国宇航局发布白皮书，希望重新建立"美国领先"。欧洲航天局也发布了空间量子技术白皮书。《科学》杂志发表社论称，中国的"墨子号"给美国政府敲响了警钟，最终导致美国在2018年通过《国家量子行动法案》。
到目前为止，"墨子号"仍在辛勤地工作。面向未来，量子还可以走得更远。潘建伟介绍，在不久的未来，天上会有中高轨量子卫星和低轨微纳卫星组成的"量子星座"，"量子星座"与地面上的光纤量子网络连接，就可构建实用的全球化广义量子保密通信网络。量子科技也将迎来更多可能，时间单位"秒"的重新定义、量子引力、引力波探测等研究将随之展开，地月量子纠缠分发也不再是纯粹的梦想。
脚踏实地，仰望星空，潘建伟说，"我们对未来充满希望。"