「墨子號」量子衛星與地面站通信試驗照片公布
墨子號量子衛星和地面興隆站進行的通信試驗
原標題：「墨子號」量子衛星與地面站通信試驗照片公布
今天下午，微博認證為中國科學院高能物理研究所研究員曹俊的網友@曹俊IHEP 發布了這樣一條微博：墨子號量子衛星和地面興隆站進行的通信試驗，紅光為地面發射，綠光為墨子號發射 （感謝韓越陽提供照片）。
很科幻、很高大上有木有！
原來這是世界首顆量子科學實驗衛星「墨子號」與地面進行試驗的畫面。
微博說明為「 現任中科院量子信息卓越創新中心副研究員」的網友@九維空間Sturman 解釋說，照片中的兩束光是信標光，對準衛星的地面兩個望遠鏡做高速跟瞄用的，不是用來做量子通信實驗的光(通信用單光子人們的肉眼也看不到)。綠色532納米從星到地，紅色810納米從地到天。
他說，衛星和地面站各有一個望遠鏡來收和發量子通信的單光子，所以需要旁邊用信標激光來瞄準。
至於為什麼照片有紅綠光的效果，@曹俊IHEP 補充說，曝光200秒，所以看到一條線。
@九維空間Sturman 還透露，25日，興隆站和量子衛星成功激光光束對接，26日晚，阿里站和量子衛星成功激光光束對接。這種對接有多難：500km的軌道高度，第一宇宙速度，200mm口徑的望遠鏡，難度相當於你站在五十公里以外把一枚一角硬幣準確地扔進一列全速行駛的高鐵上的一個礦泉水瓶里！
據量子科學實驗衛星首席科學家潘建偉此前介紹，「墨子號」承擔著發射和傳輸光信號的重要任務，要想保證距離地球表面數百公里的光信號能夠順利被地面光學天線接收，難度就好比是「針尖對麥芒」一樣。
他解釋說，由於衛星發射的光信號是極其微弱的單光子級別，在由空間向地面傳輸的過程中會受到許多因素的干擾，比如星光、燈光等都將成為干擾信號傳輸的背景雜訊。此外，衛星的運動速度很快，地面的光學天線必須時刻緊跟衛星的「節奏」才有可能實現信號的準確接收。所以，在「墨子號」量子通信衛星的設計過程中，不僅要克服各種雜訊的干擾保證信號源的穩定，同時還要實現與地面光學天線的準確對接。儘管是如同「針尖對麥芒」般苛刻的實驗條件，但是在我國科學家的不懈努力下，如此不可思議的技術難題也依然得到了解決。
8月16日1時40分，我國在酒泉衛星發射中心用長征二號丁運載火箭成功將「墨子號」發射升空。
「墨子號」量子衛星是中國科學院空間科學先導專項首批科學實驗衛星之一，其主要科學目標是藉助衛星平台，進行星地高速量子密鑰分發實驗，並在此基礎上進行廣域量子密鑰網路實驗，以期在空間量子通信實用化方面取得重大突破；在空間尺度進行量子糾纏分發和量子隱形傳態實驗，開展空間尺度量子力學完備性檢驗的實驗研究。
除此以外，「墨子號」還將搭載第二代激光實驗系統，用新方法實現更高的信息傳遞速率。
工程還建設了包括南山、德令哈、興隆、麗江4個量子通信地面站和阿里量子隱形傳態實驗站在內的地面科學應用系統，與量子衛星共同構成天地一體化量子保密通信與科學實驗體系。
8月17日11時56分24秒，中科院遙感與數字地球研究所所屬中國遙感衛星地面站密雲站在第23圈次成功跟蹤、接收到我國首顆量子科學實驗衛星「墨子號」首軌數據。
延伸閱讀：
首席科學家談墨子號三大任務 中國獲多個世界首次
中國領跑量子太空競賽——對話量子科學實驗衛星首席科學家潘建偉 （8月25日 解放軍報）
寫在前面
這是一場人與自然的角力。
自上世紀末以來，人類對自然界的能量最小單位——量子的認知，開始突破瓶頸達到新的高度，催生了量子信息科學。量子信息研究以量子通信等領域為切入口，逐漸迎來了「全速發展期」。
而在此當中，很多個「世界首次」，均來自於「中國隊」。從首次成功實現量子態隱形傳送以及糾纏態交換，首次實現安全通信距離超過100公里的光纖量子密鑰分發，到建成國際上首個規模化量子通信網路，中國科學家逐步躋身於國際一流的量子信息研究行列，量子通信的產業化也在中國科學家的全力推動下得到快速發展。
隨著量子科學實驗衛星「墨子號」的順利升空，中國成為全球第一個在衛星和地面之間進行量子通信實驗的國家。這場長跑競賽，不僅是各國科學家之間的創新之爭，更是人類有限的認知與無盡的自然奧秘之間的角力。
量子通信利用微觀世界的最小單元，實現了信息永遠不會被破解的奇蹟。
把量子實驗「搬」上太空
問：當大多數人滿足於在實驗台上研究量子信息時，您已經開始思考如何能夠在太空中實現信息的隱形傳送。為什麼一定要把量子實驗「搬」上太空？
答：突破經典信息技術的瓶頸，對於保護國家和公民的信息安全至關重要，對發展下一代信息產業也有著深遠影響。量子通信是迄今唯一被嚴格證明為無條件安全的通信方式。量子不可分割、不可克隆，所以能保證加密內容不被破譯。它可以從根本上保障信息安全、保護全人類的隱私。
不同於經典通信，量子保密通信的安全性是建立在量子物理基本原理的基礎上，從原理上講是無條件安全的。然而，由於光纖的固有損耗，在光纖中實現遠距離量子通信面臨著巨大的挑戰。在1000公里光纖中進行點對點量子通信，每300年也只能傳輸一個比特。因此，要實現覆蓋全球的廣域量子保密通信，還需要藉助衛星中轉。另一方面，衛星也為大尺度的量子物理基本問題實驗檢驗提供了天然的平台。
5月25日，在量子保密通信上海總控中心內，量子科學實驗衛星首席科學家、中國科學技術大學教授、中科院量子信息與量子科技前沿卓越創新中心主任潘建偉院士演示實用化量子通信產品進行遠距離保密通話。
擔負多項科學實驗任務
問：「墨子號」量子科學實驗衛星主要的科研任務有哪些？
答：首先，通過量子衛星實現衛星和地面的量子密鑰分發，從而實現廣域的量子保密通信。光纖傳輸的過程中信號損失相當嚴重，如果人類想實現遠距離量子通信傳輸就必須建立多個安全可信的信號中繼站，這無疑大大增加了信息泄露的幾率。科學家經過研究發現，光在穿透大氣層的過程中能量損失僅為百分之二十，利用空間中的量子衛星作為地面網路的中轉站，可以將地面多個城市中建立起的城際量子通信網路連接起來，極大地提高量子通信的效率。
其次，「墨子號」還承擔著對量子力學本身的基本原理進行檢驗的實驗任務。量子糾纏態是量子力學中的一個經典現象，量子衛星把這個實驗帶到外層空間，將在國際上首次實現千公里量級的量子非定域性實驗檢驗，對於人類加深對量子力學基礎理論的認識具有重要意義。
第三，「墨子號」將連接中國和奧地利之間的量子通信網，以證明全球規模的量子通信網路設想是可行的。作為建設「天地一體化」通信網路的重要組成部分，「墨子號」量子衛星與普通衛星相比存在著巨大的差異。發射升空的量子衛星以及多個地面觀測站，共同組成了前所未有的覆蓋地面和空間的巨大實驗網路。
「墨子號」如何實現精準定位
問：「墨子號」量子通信衛星如何保證距離地球表面數百公里的光信號能夠順利被地面光學天線接收？
答：作為天地一體化的空間中轉站，「墨子號」量子通信衛星承擔著發射和傳輸光信號的重要任務，要想保證距離地球表面數百公里的光信號能夠順利被地面光學天線接收，難度就好比是「針尖對麥芒」一樣。
由於衛星發射的光信號是極其微弱的單光子級別，在由空間向地面傳輸的過程中會受到許多因素的干擾，比如星光、燈光等都將成為干擾信號傳輸的背景雜訊。此外，衛星的運動速度很快，地面的光學天線必須時刻緊跟衛星的「節奏」才有可能實現信號的準確接收。所以，在「墨子號」量子通信衛星的設計過程中，不僅要克服各種雜訊的干擾保證信號源的穩定，同時還要實現與地面光學天線的準確對接。儘管是如同「針尖對麥芒」般苛刻的實驗條件，但是在我國科學家的不懈努力下，如此不可思議的技術難題也依然得到了解決。
構建廣域量子通信網路
問：作為空間科學先導專項的科學實驗衛星之一，也是世界上首顆以量子科學實驗為目的的科學衛星，量子科學實驗衛星的研製發射將帶來怎樣的意義？
答：量子科學實驗衛星的發射成功，在國際上率先實現了高速星地量子通信。結合地面即將建成的「京滬幹線」千公里級廣域量子通信骨幹網路，可以初步構建我國空地一體的廣域量子通信體系，為率先建成全球化的量子通信網路奠定基礎。
一個天地一體的全球化量子通信基礎設施建成以後，能為未來的互聯網提供基於量子通信技術的安全保障，形成完整的量子通信產業鏈和下一代國家主權信息安全生態系統。
同時，量子科學實驗衛星的研製也將促進空間光通信、空間單光子探測、星地高精度時間同步等技術的發展，在量子通信技術實用化整體水平上保持和擴大國際領先地位，實現國家信息安全和信息技術水平跨越式提升。
從原始創新到成果轉化
問：您曾在接受媒體採訪時提到，科學家不僅要關注原始創新，也要鼓勵成果轉化。您認為在空間科學發展方面剛剛起步的中國，應該如何進一步推動我國空間科學發展與社會科技進步？
答：我國以往的空間計劃中，大多是為了應用的目的，以科學家為主導的、特別是以基礎研究為目的的項目尚未形成專門系列。基礎和應用從來都是相輔相成的，比如我們從事的量子信息研究，正是起源於對量子力學基本問題的研究，隨著量子調控技術的進步而產生了包括量子通信在內的量子信息科技；在推進量子通信技術的實用化過程中，產生了發射衛星的需求，使得我們進一步發展技術，而星地量子通信又為更加深入地檢驗量子力學的基本原理提供了平台；量子科學實驗衛星發射成功後，又可以推動空間光跟瞄、空間微弱光探測、空地高精度時間同步、小衛星平台高精度姿態機動、高速單光子探測等技術的發展，如此形成一個良性循環。
小知識
「接地氣」的量子
多年來，科學家致力於運用量子世界種種奇異的性質開拓出適用於經典世界的新技術，將被公眾認為高深莫測的量子物理從雲端落地到凡塵，服務社會大眾。
其實，量子理論是一門非常實用的學科。早在第二次世界大戰之前，它的原理就已經被運用於分析金屬和半導體的電學和熱學性質。戰後，晶體管和激光器這兩個運用量子理論原理的廣為人知的裝置，更是極大地推動了信息革命的發展。
到本世紀初，我們周圍隨處可見直接或間接運用量子理論的技術和裝置。從常見的CD唱片機到龐大的現代光纖通信系統、從無水塗料到激光制動車閘、從醫院的核磁共振成像儀到隧道掃描顯微鏡……量子技術已經滲透到我們的生活中。
量子計算的應用非常廣泛，不僅可以解決大規模的計算難題，破解經典密碼，進行氣象預報、藥物設計、金融分析、石油勘探，而且還能揭示新能源新材料、高溫超導、量子霍爾效應等複雜的物理機制。
不過，量子糾纏「分身術」的特性有一個更為直接的應用，便是量子保密通信。
現在被認為最安全的信息傳遞方式是光纖通訊。光纜能把所有的光能限制在光纖里，外面得不到能量，所以這個傳輸被認為是安全的。但隨著科技發展，只需讓光纜泄漏哪怕很少一部分能量，我們就能夠竊聽光纜傳遞的信號。
這是因為經典通信的信號只有0和1，發生竊聽時，這兩種信號不會被擾動。比方說，兩人打電話時，他人可通過竊聽器從通信線路中的上千萬個電子中分出一些電子，使其進入另一根線路，從而實現竊聽，而通話者無法察覺。「稜鏡門」事件便是最好的例證。
而量子通信則完全不會出現這個問題，這是因為其密鑰具有不可複製性和絕對安全性。一旦有人竊取密鑰，整個通信信息就會「自毀」並告知使用者。
比如，甲、乙二人要進行安全通信，甲發出的光子信息假設有人竊聽，由於光子不可分割，首先竊聽者根本無法分割出「半個光子」；其次，因為單次測量測不準、不可克隆的量子態特性，竊聽者無法複製信息；第三，一旦竊聽者截獲光子，乙就收不到信息，也就不存在竊聽。
誠然，神秘的量子世界令人著迷，亦令人困惑。人們所感受到的量子技術還只是冰山一角，在探尋量子世界奧秘的旅程中，人們仍在孜孜以求。
5月25日，在中國科學院上海微小衛星工程中心，量子科學實驗衛星總設計師朱振才（右四）、副總設計師周依林（左四）與工作人員在量子衛星旁合影留念。（新華社記者 才揚 攝）
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「墨子號」大事記
2009年12月，空間科學先導專項參加戰略性先導科技專項實施方案評議會，並在16個建議專項中名列前三名。
2011年12月23日，量子科學實驗衛星工程啟動暨動員會在京召開，標誌著量子科學實驗衛星正式進入工程研製階段。
2014年12月30日，量子科學實驗衛星通過初樣轉正樣階段評審，正式轉入正樣研製階段。
2015年12月6日，量子科學實驗衛星系統與科學應用系統完成星地光學對接試驗，驗證了天地一體化實驗系統能夠滿足科學目標的指標要求。
2016年2月25日，量子科學實驗衛星工程完成大系統聯試。
2016年8月16日凌晨1時40分，我國在酒泉衛星發射中心用長征二號丁運載火箭成功將世界首顆量子科學實驗衛星「墨子號」發射升空。
2016年8月16日1時40分，我國在酒泉衛星發射中心用長征二號丁運載火箭成功將世界首顆量子科學實驗衛星（簡稱「量子衛星」）發射升空。此次發射任 務的圓滿成功，標誌著我國空間科學研究又邁出重要一步。量子衛星是中國科學院空間科學先導專項首批科學實驗衛星之一，其主要科學目標是藉助衛星平台，進行 星地高速量子密鑰分發實驗，並在此基礎上進行廣域量子密鑰網路實驗，以期在空間量子通信實用化方面取得重大突破；在空間尺度進行量子糾纏分發和量子隱形傳態實驗，開展空間尺度量子力學完備性檢驗的實驗研究。
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