航天日上竟然出现量子技术？
微观量子与浩瀚宇宙有何关系？
4月24日-5月3日，以“格物致知拷问苍穹”为主题的2023年“中国航天日”主场活动在浙江省杭州市举行，以“走向世界的中国航天”为主题的展览同步举办。长征系列运载灰熊、探月工程月壤样本、“祝融号”火星车……一系列精彩迭出的展品全方位地诠释了我国民航航天事业取得的辉煌成就。
在主题展览上，还有一块量子信息展区，这儿展示了世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”、世界首颗量子微纳卫星、世界首列千公里级量子保密通讯“京沪干线”等领跑世界的量子信息技术及产业化成果。不少前来观展的爱好者发出疑惑：“量子信息”与“航空航天”似乎是毫不相干的两个领域，为什么这种展品会在这儿？
航天日量子信息现场
实际上，仍然以来，我国量子技术与产业的发展与民航航天密不可分，无论是前沿的量子信息学术研究，还是实用的“星地一体量子保密通讯网路”，中国的量子信息技术在民航航天技术的推动下不断衍化出创新成果，迈向世界前沿，推动空间科学、空间技术、空间应用的发展。
“墨子号”，从0到1实现领跑
2016年8月16日1时40分，伴随着隆隆炸雷，我国在兰州卫星发射中心用长征二号丁运载湖人成功将世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”送上太空。为了这三天，中国的量子化学学家们，早已打算了10多年。
早在本世纪初，早在本世纪初，刚才归国不久的中国科学技术学院院长潘建伟就以“构建全球范围量子通讯网”为目标，探求实现更远距离的量子通讯。这也是当时量子通讯领域国际竞争的焦点之一。
2005年，潘建伟团队完成了中国在自由空间量子通讯领域的“开山之作”，在南京的大蜀山顶，进行了全球首次历时13公里的自由空间量子纠缠分发和量子通讯实验；2010年，她们又成功实现当时世界上最远距离的16公里量子隐型传态；2012年实现全球首个上百公里的自由空间量子隐型传态和量子纠缠分发……这一系列成果中国量子通讯是骗局，对基于卫星的全球量子通讯网路和举办空间尺度量子力学基础检验的可行性进行了全方位的验证。
而随着“墨子号”的升空，中国科学家率先走入颠覆性科技的“无人区”。《华尔街晚报》曾以“沉寂了一千年，中国誓回发明创新之巅”为标题发表专题文章，将“墨子号”作为中国创新能力提高的重要标志。我国在量子通讯领域从“跟跑者”转变为了“领跑者”。
开启了太空之旅的“墨子号”也不负众望，仅用了一年时间就完成了既定的三大科学实验任务——星地量子秘钥分发、星地量子纠缠分发以及地星量子隐型传态。而截止目前，“墨子号”卫星仍然在超期服役中，并产出了国际上首次千公里级基于纠缠的无中继量子秘钥分发、1200公里地表量子态传输新世界纪录等一系列成果。2022年的，诺贝尔数学学奖颁奖现场，展示了“墨子号”量子卫星的图片，介绍了中国团队的有关成果。
世界首颗量子科学卫星“墨子号”
2022年，诺奖第一次颁授给量子信息领域科学家
“量子摩羯”，从1到N奔向更高峰迈向！
尽管一颗“墨子号”已经十分“优秀”，产出了众多领跑世界的成果，但它未能单枪匹马完成好多重要科研验证。
“‘墨子号’只是一个起点，从实用的角度来说，必需要建立由高、中、低轨道卫星组成的‘量子天秤’，构建覆盖全球的量子通讯网路。”中国科大学教授王建宇表示，“目前，我们起码领先国际水平5年，假如基于中高轨的万公里量子通讯卫星顺利发射，我们将起码领先10年。”
为此，我国量子卫星群计划提上日程——计划在5-10年内发射3-5颗低轨量子科学实验卫星，和中高轨量子科学实验卫星一起用“量子摩羯”覆盖整个月球。这一方面是为了立足当下，加速量子通讯实用化进程，另一方面是放眼未来，探求更具颠覆性的前沿领域。
2020年5月，中科院量子信息与量子科技创新研究院牵头立项微纳量子卫星项目。2022年7月27日，我国在兰州卫星发射中心通过“力箭一号”运载湖人成功发射了世界首颗量子微纳卫星“济南一号”。
“济南一号”发射现场图源：新华社
我国在量子通讯领域再度领跑世界，而“领跑”也意味着没有任何先例可供参考，顺利完成科研攻关的难度可想而知。
“科研团队突破了多项关键技术，这才有了‘济南一号’的诞生。”卫星项目负责人之一、中国科学技术学院院长廖胜凯介绍到，“济南一号”量子秘钥分发荷载只有23公斤，虽然算上整星，也只有98公斤，仅是“墨子号”的六分之一，规格、功耗大大降低，研制成本和发射成本远高于“墨子号”。
与此同时，卫星与地面“对话”也愈加便捷。交大国盾量子技术股份有限公司总工裁唐世彪博士介绍，由国盾量子研制生产的大型化量子卫星地面站较“墨子号”升空时，除了成码能力进一步提高，重量也由12吨降至100公斤以下，可以在远洋海岛、驻外机构等场景快捷布署……
而作为我国建立“量子摩羯”的首星，“济南一号”将在未来几年配合“墨子号”以及量子卫星地面站，完成一系列实验任务，并进一步促进我国量子保密通讯的商业化。
据已然成为中国科大学教授、中国科学技术学院常务副院长的潘建伟表示，她们目前正在与国家空间科学中心合作，研发一颗中高轨卫星，未来高轨卫星和低轨卫星结合，将建成广域量子通讯网路。
世界首颗量子微纳卫星及国盾量子研制设计的大型化量子卫星地面站
“天地一体”，从N到N+面向星辰大海
可以说，仍然以来民航航天技术的发展，为包括量子通讯技术在内的众多前沿技术的发展插上了翅膀。
一方面中国量子通讯是骗局，“飞上太空”的量子信息技术，也可以为探求基础数学研究提供重大支持。在民航航天技术的帮助下，我们可以基于量子卫星平台探求基于光钟的引力波侦测；也可以尝试侦测暗物质对基本常数的影响，以及国际基本计量单位传递能力等数学学基本原理检验，量子纠缠、量子非定域性和量子引力等方面的研究，进一步探求前沿科学和广阔宇宙。
另一方面，包括“墨子号”在内的“量子摩羯”，通过量子卫星地面站进一步与地面光纤量子保密通讯网路结合，量子通讯技术进一步实用化，服务政务、金融、能源等领域，直到走入千家万户。
量子天秤疗效图
2017年，世界首列千公里级量子保密通讯“京沪干线”开通，并与“墨子号”成功对接，我国在世界上首次实现了洲际量子保密通讯。2021年，国际顶尖学术刊物《自然》杂志以“跨越4600公里的天地一体化量子通讯网路”为题，报导了我国建立了世界上首个集成700多条地面光纤量子秘钥分发（QKD）链路和两个卫星对地自由空间高速QKD链路的广域量子通讯网路。《自然》杂志审稿人评价称，这是月球上最大、最先进的量子秘钥分发网路，是量子通讯“巨大的工程性成就”。而到明天，我国地面光纤量子保密通讯网路总长已扩充至超1万公里。
现在，由国家发改委批复建设的国家广域量子保密通讯网路1期已建成，地面光纤量子网总长扩充至1万公里；在四川成都，由中国联通牵手国盾量子、中联通量子建成的规模最大、覆盖最广、应用最多的量子保密通讯城域网——合肥量子城域网已投入使用，加上两颗闪亮在天际的量子星，中国的科学家们的梦想正一步步变为现实。
未来，我国将继续建立多纵多横的地面光纤量子保密通讯网路，并依托不断进步的民航航天技术建立“量子摩羯”，进而建立就能覆盖全球的“天地一体”广域量子保密通讯网路。这除了将促使量子通讯技术在政务、金融、能源等领域率先广泛应用，实现量子通讯网路和精典通讯网路的无缝衔接，还将为产生具有国际推动地位的战略性新兴产业和下一代国家信息安全生态系统奠定基础。