北京時間8月10日凌晨1點在線出版的英國《自然》雜志上，兩篇來自同一國家、同一科研團隊的研究論文同時在線發表，量子科學實驗衛星首席科學家、中國科學院院士、中國科學技術大學教授潘建偉及其同事的名字，兩次出現在這期《自然》雜志上。

這兩篇論文，也同時宣告了兩個“第一次”：完全由我國自主研制的世界上第一顆空間量子科學實驗衛星——“墨子號”在國際上首次成功實現了從衛星到地面的量子密鑰分發和從地面到衛星的量子隱形傳態。

至此，連同先前在《科學》雜志發表的首次實現千公里級星地雙向量子糾纏分發和量子力學非定域性檢驗的研究成果，“墨子號”已圓滿實現了三大既定科學目標。用潘建偉的話說，千公里級的星地雙向量子通信，終于“從理想王國走到了現實王國”。

從天下地：絕對安全的“鴻雁傳書”

信息安全是人類共同的追求。千百年來，人們對于通信安全的追求從未停止。然而，只要是基于計算復雜性的傳統加密技術，在原理上就存在著被破譯的可能。隨著數學和計算能力的不斷提升，經典密碼被破譯的可能性更是與日俱增。

與經典通信不同，量子密鑰分發通過量子態的傳輸，在遙遠兩地的用戶共享無條件安全的密鑰，利用該密鑰對信息進行一次一密的嚴格加密。“這是目前人類唯一已知的不可竊聽、不可破譯的無條件安全的通信方式。”潘建偉說。

量子的不可克隆性讓其成為絕對安全的通信方式，但也讓量子信號不能像經典通信一樣通過復制被放大，再加上地面傳輸信號的損耗非常大，因此之前地面上的量子通信，最遠距離不過百公里量級。

為了更好地利用這把“雙刃劍”，實現安全、長距離、可實用化的量子通信，潘建偉等人將目光投向了外太空。

“墨子號”量子密鑰分發實驗采用衛星發射量子信號，地面接收的方式，“墨子號”量子衛星過境時，與河北興隆地面光學站建立光鏈路，通信距離從645公里到1200公里。

實驗結果顯示，在1200公里通信距離上，星地量子密鑰的傳輸效率比同等距離地面光纖信道高萬億億倍。衛星上量子誘騙態光源平均每秒發送4000萬個信號光子，一次過軌對接實驗可生成300千比特的安全密鑰，平均成碼率可達1.1千比特每秒。“這些密鑰足夠我們加載很多數據，例如在新疆和興隆兩個地面站之間進行加密的量子視頻通話。”潘建偉解釋稱。

中科院上海技術物理研究所研究員，量子科學實驗衛星工程常務副總師、衛星系統總指揮王建宇認為，這一重要成果為構建覆蓋全球的量子保密通信網絡奠定了可靠的技術基礎。“比如，將來我們可以進行量子衛星組網，將量子密鑰分發范圍擴展到覆蓋全球；如果將量子通信地面站與城際光纖量子保密通信網互聯，就可以構建覆蓋全球的天地一體化保密通信網絡。”

由地上天：通往未來的“任意門”

如果在北京工作的科學家要到上海去參加會議，有沒有比飛機、火車更快的方式？如果未來人類要到太陽系以外旅行，但飛船飛得太慢怎么辦？中國神話傳說中的“順風耳”、“千里眼”究竟能不能實現？

如果問一個小朋友這些問題，他也許會回答，用哆啦A夢的“任意門”。但現實世界真的能造出這樣的“任意門”嗎？潘建偉說，有可能。“墨子號”開展的地星量子隱形傳態實驗，證實了他的大膽想象。

量子隱形傳態是量子通信的另一大重要內容，在理論上，利用量子糾纏的原理，人們可以將物質的未知量子態精確傳送到遙遠地點，而不用傳送物質本身。

“墨子號”的量子隱形傳態采用地面發射糾纏光子、天上接收的方式，衛星過境時，與海拔5100m的西藏阿里地面站建立光鏈路。地面光源每秒產生8000個量子隱形傳態事例，地面向衛星發射糾纏光子，實驗通信距離從500公里到1400公里，所有6個待傳送態均以大于99.7%的置信度超越經典極限。

而根據測算，在同樣長度的光纖中重復這一工作，則需要3800億年才能觀測到1個事例。

“遠距離量子隱形傳態是實現分布式量子信息處理網絡的基本單元。”潘建偉說，“這一重要成果為未來開展空間尺度量子通信網絡研究，以及空間量子物理學和量子引力實驗檢驗等研究奠定了可靠的技術基礎。”

領跑的“墨子號”

“墨子號”量子衛星全部三大既定科學目標的成功實現，為我國在未來繼續引領世界量子通信技術發展和空間尺度量子物理基本問題檢驗前沿研究奠定了堅實的科學與技術基礎。

《自然》雜志物理科學主編卡爾·齊姆勒斯（Karl Ziemelis）在評價這兩項成果時說：“潘建偉和他的研究團隊順利完成了三項量子實驗，這些實驗將會是全球任何基于空間的量子網絡的核心組成部分。這些實驗中的量子技術已經突破了天空的限制，由于因為中國在物理學方面的投資與努力，該研究團隊才能夠將應用型量子通信技術方面的研究提升到如此的天文高度。”

作為中科院空間科學戰略性先導科技專項在“十二五”期間支持的4顆科學衛星之一，“墨子號”從科學概念的提出到關鍵技術突破，從工程組織實施到科學成果的產出，均由中科院主導完成。

自2016年8月16日在酒泉衛星發射中心發射升空以來，“墨子號”就備受國內外高度關注，并入選了習近平總書記2017年新年賀詞。今年1月18日，“墨子號”完成在軌測試，正式交付并開展科學實驗。

令許多人沒想到的是，僅僅半年過去，“墨子號”就接連取得了一系列全球領先的科學成果。在中科院院長白春禮看來，“墨子號”系列成果贏得了巨大國際聲譽，標志著我國在量子通信領域的研究在國際上達到全面領先的優勢地位。衛星全部既定科學目標的提前完成，為項目畫上了一個圓滿的句號。

“同時，‘墨子號’也開啟了全球化量子通信、空間量子物理學和量子引力實驗檢驗的大門，為我國在國際上搶占了量子科技創新制高點，成為了國際同行的標桿，實現了‘領跑者’的轉變。”白春禮說。

實際上，領跑的“墨子號”所產生的聚合效應已經開始顯現。目前，奧地利已經與中科院科研團隊展開合作，德國、意大利等國家的科研團隊也在申請加入合作研究。

而“墨子號”也馬不停蹄地開啟了下一段征程。目前，科研團隊已制定了后續拓展實驗計劃，基于糾纏的量子密鑰、全天時量子通信等實驗，已經在緊張、順利地進行中。白春禮期待著，在衛星設計壽命期內，這顆中國人的空間科學衛星，還能產生更多科學成果。