继6月16日“墨子号”量子科学实验卫星实现星地量子纠缠分发的论文以封面文章的方式发表在国际权威学术刊物《科学》杂志后，8月份“墨子号”再传佳讯——中国科学技术学院潘建伟院士及其朋友彭承志等组成的研究团队，联合中国科大学北京技术化学研究所王建宇研究组、微小卫星创新研究院、光电技术研究所、国家天文台、紫金山天文台、南京天文仪器有限公司、国家空间科学中心等，在中国科大学空间科学战略性先导科技专项的支持下，借助“墨子号”量子卫星在国际上首次成功实现星地量子秘钥分发和地星量子隐型传态。从此，量子卫星三大科学目标完满完成，这代表我国奔向覆盖全球的广域量子通讯网路迈出了里程碑式的一步，并为空间尺度检验量子化学基本问题奠定了坚实的科学与技术基础。
两项成果于8月10日同时在线发表在国际权威学术刊物《自然》杂志上。实际上，这两项任务在实际应用中互为补充——量子秘钥分发通过量子加密的形式安全地传递精典信息，而量子隐型传态则可以传递这些必须用量子态描述的信息，这三者共同构成了量子通讯的两个方面。
量子秘钥分发（QKD）
通讯的安全性是人类的基本需求。传统的私钥密码学之所以无法破解，一般依赖于个别物理问题的复杂度，而并非绝对安全。相比之下，量子秘钥分发通过量子态的传输，在遥远两地的用户共享无条件安全的秘钥，借助该秘钥对信息进行一次一密的严格加密，它的安全性由量子原理保障，是目前人类惟一已知的不可监听、不可破译的无条件安全的通讯方法。
图1星地量子秘钥分发实验示意图
自从1989年，在32分米的量子通道实验中第一次实现QKD，人类仍然努力希望实现更长的安全传输距离，最终能在全球范围实现实用化。
而传统的最直接的方式是通过光纤或则近地面自由空间传输。并且，因为这两种信道不可防止的耗损、以及单光子量子信息不能像精典通讯那样被放大，数百公里量级的量子秘钥分发已是极限。
按照数据测算，通过1200公里的光纤，虽然有每秒百亿发射率的单光子源和完美的侦测器，也须要数百万年才会构建一个比特的秘钥。为了实现安全、长距离、可实用化的量子通讯，人们想到将卫星与地面链接，借助外太空几乎真空因此光讯号耗损特别小的特征，可以大大扩充量子通讯距离。
事实上，借助卫星实现星地间量子通讯、构建覆盖全球量子保密通讯网的方案早在2003年就已提出量子通讯技术真伪，骤然而至的是各类科学和技术上的验证。2004年，潘建伟团队的一场地面实验演示了自由空间单向量子纠缠分发，在水平距离13公里（小于大气层垂直有效长度）外，纠缠可以保持，验证了穿过大气层进行量子通讯的可行性。2011年末，中科院战略性先导科技专项“量子科学实验卫星”正式立项。2012年和2013年，潘建伟领衔的中科院联合研究团队在湖南湖实现了又分别实现了首个百公里级的单向量子纠缠分发，以及模拟星地相对运动和星地链路大耗损的量子秘钥分发实验，全方位验证了卫星到地面的量子秘钥分发的可行性。这种验证性的实验以及各类技术难关上的突破，保证了“墨子号”卫星发射升空后可以顺利举办科学实验。
本次“墨子号”量子卫星任务之一就是星地高速量子秘钥分发——卫星发射量子讯号，地面接收，即“下行链路”。实验采取的是三硬度的引诱态量子秘钥分发合同，“墨子号”量子卫星过境时，与兴隆地面光学站构建光链路，随着卫星飞过地面站上空量子通讯技术真伪，通讯距离在645公里到1200公里之间变化。科学家在不同天气状况的23天里进行实验，结果表明，卫星上量子引诱态光源平均每秒发送4000万个讯号光子，一次单轨实验可生成的安全秘钥，平均成分辨率可达1.1kbps，误分辨率为1%~3%。值得一提的是，在1200公里通讯距离上，星地量子秘钥的传输效率比同等距离地面光纤信道高20个数目级（万亿亿倍），据计算，倘若采用1200公里长的光纤，即便在最完美的条件下，想得到一个比特，也要等600万年。
图2“墨子号”-兴隆地面站量子秘钥分发实验现场图
这一实验的成功为后续建立覆盖全球的量子保密通讯网路奠定了可靠的技术基础。在此基础上，可以将卫星作为可信中继，让卫星储存着量子秘钥，随着它的飞行，实现月球上任意两点的秘钥共享，将量子秘钥分发范围扩充到全球；据悉，为了降低覆盖范围，人们计划在更高的轨道上发射多颗卫星，高低轨卫星配合，建造一个卫星天秤，将基于卫星的QKD通过地面站联接到城际光纤量子保密通讯网，从而建立覆盖全球的天地一体化保密通讯网路。
量子隐型传态（）
量子通讯的另一重要内容是量子隐型传态。在量子信息处理网路中，有些物质的信息（比如原子、分子、电子这类微观粒子信息或则量子估算中间过程形成的寄存器量子比特状态等）是不能用精典形式描述、测量和传递的，而量子隐型传态，就是借助量子纠缠，将任意未知量子态从一个发送者(Alice)传输到一个空间遥远的接收器(Bob)，而不须要实际传输对象本身。
1993年，等人提出了“量子隐型传态（）”。四年后，英国Anton小组第一次在实验上实现了量子隐型传态。
与量子秘钥分发一样，既然是量子通讯的重要内容，中国的团队也希望能将这一神秘的传输推广到更远距离，为人类的广域量子通讯服务。随着2003年借助卫星实现远距离量子通讯方案的提出，潘建伟和彭承志等人在国际上首次实验了水平距离13公里（大气层垂直长度约为5-10公里）的自由空间单向量子纠缠分发，为量子隐型传态打下了基础。2010年，该团队在国际上首次实现了基于量子纠缠分发的16公里量子态隐型传输。2012年，潘建伟领导的中科院联合研究团队在湖南湖实现了首个百公里级的单向量子纠缠分发和量子隐型传态，充分验证了借助卫星实现量子通讯的可行性。2015年，潘建伟团队首次实现了单个光子的多个自由度的量子隐型传态。
图3量子隐型传态实验示意图
本次地星量子隐型传态是“墨子号”量子卫星的另一大科学任务，也是人类第一次在空间尺度上举办量子隐型传态实验。实验中采用地面发射纠缠光子、天上接收的方法，即“上行”链路。
“墨子号”量子卫星过境时，与海拔5100m的拉萨阿里地面站构建光链路。地面光源每秒形成8000个量子隐型传态例子，地面向卫星发射纠缠光子，实验通讯距离从500公里到1400公里，共采集到911个隐型传态例子，所有6个待传送态均以小于99.7%的置信度赶超精典极限，这明晰显示了量子隐型传态的实现。据恐怕，若要在同样宽度的光纤中重复这一工作，因为不可防止存在耗损，须要3800亿年（宇宙年纪的20倍）能够观测到1个例子。
图4“墨子号”-阿里地面站量子隐型传态实验现场图
从科学的角度说，空间尺度量子隐型传态的实现为空间量子化学学和量子引力实验检验等研究奠定了可靠的技术基础，从应用的角度说，量子估算形成的量子比特状态传播离不开量子隐型传态，所以对于未来的全量子网路构想，大尺度下的量子隐型传态实现是一个巨大的进步。
星地量子秘钥分发通过下行链路实现了精典信息的安全传输，而地星量子隐型传态通过上行链路实现了量子信息的可靠传送。二者互为补充，第一次在空间和地面之间进行单向量子联接，为未来实际应用的空间尺度量子通讯网路打下坚实的基础。
此后，“墨子号”量子卫星全部三大既定科学目标已全部实现，可以说，不论在空间尺度量子化学基本问题检验上，还是在覆盖全球的量子通讯技术发展上，我国都走在了世界的前沿。