全球首个星地量子通讯网路，覆盖我国四省三市32个节点，包括天津、济南、合肥和重庆4个量子城域网，通过两个卫星地面站与“墨子号”量子科学实验卫星相连，总距离为4600公里，目前已接入金融、电力、政务等行业的150多家用户。
遨游在太空的“墨子号”量子科学实验卫星，现在有了属于自己的“正式名称”。2020年9月11日，国家重大文化工程《辞海》（第七版）即将对外发布，本次新增内容中添加了“量子通讯”“量子科学实验卫星”等词条。
2016年8月16日1时40分，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”发射升空。为了这三天，中国的量子化学学家们，早已打算了10多年。
把量子实验室“搬”上太空
“墨子号”量子科学实验卫星的诞生，始于我国“构建全球范围量子通讯网”的科学愿景。
“把量子实验室‘搬’上太空的构想，10多年前就已被提出。”中国科学技术学院院长、中国科大学教授潘建伟说。
早在2003年，潘建伟团队就开始探求在自由空间实现更远距离的量子通讯，提出了借助卫星实现远距离量子纠缠分发的方案。在自由空间，环境对光量子态的干扰效应极小，而光量子在穿透大气层步入内层空间后，其耗损更是接近于零，这促使自由空间信道比光纤信道在远距离传输方面更具优势。
2005年，潘建伟团队首先在扬州实现距离达13公里的自由空间量子纠缠分发和量子通讯，13公里约等于月球表面的大气长度，此次实验在国际上首次证明纠缠光量子在穿透等效于整个大气层宽度的地面大气后，纠缠一直才能保持，其可被应用于高效、安全的量子通讯，该实验为后续的自由空间量子通讯实验奠定基础。
此前，始终走在全球量子通讯领域前列的，是德国化学学家安东·蔡林格的团队。安东·蔡林格团队1997年在室外首次完成了量子态隐型传输的原理性实验验证，她们在2004年又借助多瑙河底的光纤信道将量子态隐型传输距离提升至600米。潘建伟到英国攻读博士学位期间，曾在安东·蔡林格团队兼任研究骨干。
2001年，潘建伟学成归国，在中国科学技术学院构建起中国的量子化学实验室。在那以后，这对师徒既是合作伙伴又是竞争对手，即将开始了攀越量子通讯技术高峰的大赛。
相比于安东·蔡林格团队，潘建伟团队的进度更快，并逐渐实现了从并挪到小幅度领先的赶超。
2010年量子通讯设备，潘建伟团队成功实现当时世界上最远距离的16公里量子隐型传态，首次否认量子隐型传态穿越大气层的可行性，为未来基于卫星中继的全球化量子通讯网奠定了可靠基础。为了此次实验，潘建伟团队从2007年开始在上海古北口与湖南永清之间架设了一条历时16公里的自由空间量子信道。
此后，潘建伟团队在湖南湖地区新建实验基地，举办验证星地自由空间量子通讯可行性的地基实验研究，从多个方面进行攻关，借以突破基于卫星平台自由空间量子通讯的关键技术困局，并在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，对星地量子通讯可行性进行了全方位地面验证。
在这场量子学革命的科学大赛中，多个“世界首次”“世界首个”均来自于由潘建伟领衔的“中国队”：在国际上首次实现安全通讯距离超过100公里的光纤量子秘钥分发、实现国际上首个全通型量子通讯网路、建成世界首个规模化量子通讯网路……“这标志着中国在量子通讯领域的崛起，从10年前不起眼的国家逐渐发展为现今的世界劲旅，将领先亚洲和北美。”国际权威刊物《自然》杂志曾这么哀叹。
中国团队的那些研究工作，证明了实现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。
挑战世界最高难度
2010年3月31日，我国国务院第105次常务大会审议通过了中国科大学“创新2020”规划，要求中国科大学“组织施行战略性先导科技专项，产生重大创新突破和集群优势”。
2011年1月25日，中国科大学施行启动首批“4+1”个战略性先导科技专项，其中就包括空间科学先导专项。空间科学先导专项第一批确定研制包括“墨子号”在内的四颗科学实验卫星。另外三颗分别为暗物质侦测卫星“悟空”、我国首颗微重力科学实验卫星“实践十号”和硬X射线调制望远镜卫星“慧眼”。
“工程师的任务是技术实现，要把科学家的梦想弄成现实。”量子卫星工程常务总工师兼卫星总指挥王建宇说，2011年量子科学实验卫星“墨子号”项目即将立项后，更高难度的挑战开始了。
量子科学实验卫星是我国自主研制的星地量子通讯设备，突破了一系列高精尖技术，包括“针尖对麦芒”的星地光路对准，偏振光态保持与星地基矢校准，量子光源荷载等关键技术。
王建宇从2007年就开始参与量子卫星的研究工作。他是中国科大学北京分院的副校长、原中国科大学北京技术化学研究所主任，作为光学遥感系统专家，他的团队与潘建伟团队合作，在广阔美丽的西藏河畔实现了百公里级自由空间量子通讯。
在2007年至2010年的关键技术攻关阶段，研究团队将量子秘钥形成的地方放到坐落宁夏湖湖心岛的海心山上，从中间向两侧分发。
那时，白天团队成员们就睡在帐蓬里，同时还不能睡死，她们要弄死一批批有可能干扰设备的飞虫。其中有位女研究生量子通讯设备，从看到飞虫就担心，到后来弄成一边做实验一边面不改色地把飞虫一只只拍死的“杀手”。
“以前做卫星，多少能找到参考资料，但这个量子卫星的工作，属国际首次，完全没有参考。”王建宇觉得，最困难的环节就是实现天地一体化移动。
按潘建伟等科学家的实验设计要求，“墨子号”不仅是天上的那颗卫星，它还包括地面系统：1个中心——合肥量子科学实验中心，4个站——南山、德令哈、兴隆、丽江量子通讯地面站，1个平台——阿里量子隐型传态实验平台。卫星和地面站之间，要做到最高精度的瞄准和最灵敏的探测。
光量子特别小，它是光的最小单位，必需要用极为灵敏的侦测器能够侦测到；它的数目又特别多，“墨子号”卫星每秒能分发1亿光量子；据悉，它还姿态万千，能产生不同的量子编码……
王建宇打了个比方：假如把光量子看成一个1元硬币，星地实验就相当于要在万米高空飞行的客机上，不断把上亿个硬币一个个投到地面上一个不断旋转的储钱罐里（偏振光检测的基矢在变化），这不但要求硬币击中储钱罐（瞄准精度），并且要求硬币确切射入罐子上修长的投币口（偏振光保持）。
为了让穿越大气层后光量子的“针尖”仍能对上接收站的“麦芒”，王建宇团队与潘建伟团队一道，从2012年起开始进行了各类实验：收发距离40公里的转台实验，要与卫星绕地运行的角速率一致；30公里距离的车载高速运动实验，要考验超远距离“移动瞄靶”能力；热气球浮空平台实验，在空地环境下模拟量子秘钥分发……
如此困难的“针尖”对“麦芒”，其关键技术最终被一一击溃，在十几个研究所的几百位科研人员的倾情投入下，卫星的初样完成了。
建立首个星地量子通讯网
32年前，人类历史上首次量子通讯在实验室实现了，传输距离32分米。而今，中国人将这个距离扩充了1400多万倍，实现了从地面到太空的多用户通讯。
2021年1月7日，国际顶尖学术刊物《自然》杂志上发表了题为《跨越4600公里的天地一体化量子通讯网路》的论文。中国科学技术学院宣布，中国科研团队成功实现了跨越4600公里的星地量子秘钥分发，标志着我国已建立出天地一体化广域量子通讯网雏型。
20年磨一剑，中国在量子通讯域实现了从跟挪到领跑：量子保密通讯沪宁干线总长超过2000公里，是目前世界上最远距离的基于可信中继方案的量子安全秘钥分发干线，该线路已于2017年9月末即将开通。“墨子号”量子科学实验卫星于2016年8月在西昌卫星发射中心成功发射，完满完成了预定的全部科学目标。
“墨子号”牵手“京沪干线”，中国科学技术学院科研人员潘建伟、陈宇翱、彭承志等与中国科大学北京技术化学研究所王建宇研究组、济南量子技术研究院及中国有线电视网路有限公司合作，建立了全球首个星地量子通讯网。经过为期三年多的稳定性、安全性测试，该通讯网实现了跨越4600公里的多用户量子秘钥分发。
“要实现广域量子通讯，就要解决光量子耗损、退相干等一系列技术困局，例如光量子数在光纤里每传输约15公里都会损失一半，200公里后只剩万分之一。”潘建伟说，科研团队在光学系统等方面发展了多项先进技术，化解了这种困局。
全球首个星地量子通讯网路，覆盖我国四省三市32个节点，包括天津、济南、合肥和重庆4个量子城域网，通过两个卫星地面站与“墨子号”量子科学实验卫星相连，总距离为4600公里，目前已接入金融、电力、政务等行业的150多家用户。
目前，广域量子通讯网路的雏型已基本产生，未来在此基础上，可进一步促使量子通讯在金融、政务、国防、电子信息等领域的广泛应用。
《自然》杂志审稿人对此评价道，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”。星地量子通讯网的建成，为未来实现覆盖全球的“量子网”奠定科技基础，也为相对论、引力波等科学研究，提供了前所未有的“天地实验室”。