量子通信技术旨在利用量子态实现信息的编码、传输、处理和解码，特别是利用量子态（单光子态和纠缠态）实现量子密钥的分配。在众多通信的方式中，量子通信技术被称为“史上最难破译”加密技术。量子通信最大的优越性就在于保密，许多经济、科技、军事信息值得高度保密，因而量子通信不乏潜在的用户。量子通信的安全性基于量子物理的基本原理。作为光的最小粒子，每个光量子在传输信息的时候具有不可分割和不可被精确复制两大特性，如果存在窃听，就一定会被信息发送者察觉并规避，所以量子通信保证了信息的安全。

1989年，IBM实验室制造了一个叫“玛莎姨妈的棺材”的小盒子，其中光子携带着密钥走了30厘米，证实了量子保密通信可行。

1993年英国国防部将这一纪录提高到10千米。但是得到单个光子源，减少光子信号传输中的损耗，都是实际应用面临的困难。

在外太空，真空环境对光的传输几乎没有衰减，同样也没有退相干效应。因此，若能将单光子或纠缠光子对传出大气层，配合星载平台技术和光束精确定位技术，就有可能实现自由空间的远距离量子通信。

墨子号量子科学实验卫星是中科院空间科学战略性先导科技专项首批确定的五颗科学实验卫星之一，旨在建立卫星与地面远距离量子科学实验平台，并在此平台上完成空间大尺度量子科学实验，以期取得量子力学基础物理研究重大突破和一系列具有国际显示度的科学成果，并使量子通信技术的应用突破距离的限制，向更深的层次发展，促进广域乃至全球范围量子通信的最终实现。同时，该项目将为广域量子通信各种关键技术和器件的持续创新以及工程化问题提供一流的测试和应用平台，促进空间光跟瞄、空间微弱光探测、空地高精度时间同步、小卫星平台高精度姿态机动、高速单光子探测等技术的发展，形成自主的核心知识产权。

2001年，31岁的潘建伟从欧洲回国，在中科大组建了量子信息实验室。

2003年，当大多数人仍致力于在实验室内部的原理性演示时，潘建伟团队提出了利用卫星实现远距离量子纠缠分发的“天地一体化”量子通信网的初步构想，“量子科学实验卫星”正是这个构想中的关键节点。围绕这一远景目标，潘建伟团队在自由空间量子密钥分发、量子纠缠分发和量子隐形传态实验等方面不断取得突破性成果。

2005年，潘建伟团队在世界上第一次实现13千米（大于大气层垂直厚度）自由空间双向量子纠缠分发的量子通信实验，证实光子穿透大气层后，其量子态能够有效保持，从而验证了星地量子通信的可行性。

2006年，中国科学技术大学的潘建伟团队在世界上首次利用诱骗态方案实现了超过100千米的光纤量子密钥分发；而美国和奥地利科学家随后也做到这一点。

2008年，潘建伟团队发明了量子中继器，使得即将衰竭的光子将信息传给其他光子，被《自然》杂志称赞为“清除了量子通信的一块拦路石”。

2009年12月，空间科学先导专项参加战略性先导科技专项实施方案评议会，并在16个建议专项中名列前三名。

2010年，该团队又在国际上首次实现了基于量子纠缠分发的16千米量子态隐形传输。

2011年12月23日，量子科学实验卫星工程启动暨动员会在京召开，标志着量子科学实验卫星正式进入工程研制阶段；随后作为中国科学院空间科学先导专项首批科学实验卫星之一，量子卫星正式立项。

2012年，潘建伟领导的中科院联合研究团队在青海湖实现了首个100千米的双向量子纠缠分发和量子隐形传态，充分验证利用卫星实现量子通信的可行性。

2014年12月30日，量子科学实验卫星通过初样转正样阶段评审，正式转入正样研制阶段。

2015年12月6日，量子科学实验卫星系统与科学应用系统完成星地光学对接试验，验证了天地一体化实验系统能够满足科学目标的指标要求。

2016年8月，中国首颗量子科学实验卫星被命名为“墨子号”，英文：Micius Satellite for Quantum Science Experiments；简称：Mozi或Micius；又称为：QSS （Quantum Science Satellite）或QUESS （Quantum Experiments at Space Scale）。

量子卫星工程由中科院国家空间科学中心总负责；中国科学技术大学负责科学目标的提出和科学应用系统的研制；中科院上海微小卫星创新研究院抓总研制卫星系统，中科院上海技术物理研究所联合中科大研制有效载荷分系统；中科院国家空间科学中心牵头负责地面支撑系统研制、建设和运行；对地观测与数字地球科学中心等单位参加。

墨子号量子卫星首席科学家：潘建伟（物理学家，中国科学院院士，发展中国家科学院院士，中国科学技术大学常务副校长）

卫星系统总设计师：朱振才研究员（中国科学院上海微小卫星工程中心）

副总设计师：周依林研究员（中国科学院上海微小卫星工程中心）

副总设计师：舒嵘研究员（中国科学院上海技术物理研究所）

副总设计师：彭承志研究员（中国科学技术大学）

墨子号卫星根据量子科学实验卫星的特点和实际需求，卫星项目设置了工程总体和六大系统，具体分工：

卫星系统负责卫星平台和有效载荷的研发，载荷包括量子密钥通信机、量子纠缠发射机、量子纠缠源和量子实验控制与处理机。

运载火箭系统主要负责运载火箭的研制和生产。

发射场系统选择酒泉卫星发射中心主要承担运载火箭和量子科学实验卫星的测试、发射任务，并提供地面技术支持与勤务保障。

测控系统负责对运载火箭主动段提供测控支持，向地面支撑系统传输原始遥测数据，接收地面支撑系统传送的科学实验数据并完成数据的上行发送和下行接收。

地面支撑系统负责提供实验任务运行控制管理、数据接收、预处理、管理和归档等公用性支撑服务。

科学应用系统负责整个量子科学实验卫星工程科学实验计划的制订、科学实验的实施、科学数据和应用的处理传输存储管理与发布。

墨子号卫星系统工程包括卫星平台和有效载荷的研发。墨子号卫星总重631千克（《中国科学院院刊》介绍：640千克），载荷重量超过了200千克，而长期功耗却不到500瓦———完全可以靠蓄电池供给。作为一颗太阳同步轨道卫星，该星原先设计的轨道高度为600千米，可那里正碰上了地球的辐射带。做模拟实验时，发现有些器件在高能粒子“轰炸”下，寿命只有一周。因此，科学家将轨道高度调低到500千米，以减少大约一半的宇宙高能粒子的影响。同时，科学家还从物理原理上想出办法，最终让器件能够在轨道上耐受住高能粒子的长期轰击。

墨子号卫星发射采用的长征二号丁运载火箭，是由中国航天科技集团公司所属上海航天技术研究院研制的常温液体二级液体运载火箭。该火箭于1990年2月启动研制，是在长征四号甲火箭基础上减少三子级，并进行适应性改进形成的火箭，主要用于发射近地轨道返回式卫星和太阳同步轨道，具有可靠性高和经济型好的特点。

墨子号卫星的配套地面建设科学应用系统，包括1个中心——合肥中国科学技术大学量子科学实验中心；4个量子通信地面站包括——北京兴隆站、云南丽江站、青海德令哈站和乌鲁木齐南山站；1个平台——阿里隐形传态实验站为核心的天地一体化量子科学实验系统。

墨子号的科学目标之一是进行星地高速量子密钥分发实验，并在此基础上进行广域量子密钥网络实验，以期在空间量子通信实用化方面取得重大突破。该项技术突破不仅使得中国具备了对光纤无法覆盖的地区——如中国的南海诸岛、驻外使领馆、远洋舰艇等——直接提供高安全等级量子通信保障的能力，并为中国未来构建覆盖全球的天地一体化量子保密通信网络提供可靠的技术支撑。

同时，量子卫星在空间尺度进行量子纠缠分发和量子隐形传态实验，通过“墨子号”的星地纠缠分发，能够在相距1200千米以上的两个地面站之间以1对/秒的速度建立起量子纠缠，将使得人类首次具有在空间尺度开展量子科学实验的能力，并为未来在外太空开展广义相对论、量子引力等物理学基本原理的检验做好技术准备，成为中国在基础物理学领域对世界的又一重要贡献。

量子卫星是中国科学院空间科学先导专项首批科学实验卫星之一，其主要科学目标一是借助卫星平台，进行星地高速量子密钥分发实验，并在此基础上进行广域量子密钥网络实验，以期在空间量子通信实用化方面取得重大突破；二是在空间尺度进行量子纠缠分发和量子隐形传态实验，开展空间尺度量子力学完备性检验的实验研究。

该实验室将在高精度捕获、跟踪、瞄准系统的辅助下，在实现地面与卫星之间建立超远距离的量子信道的基础上，进行卫星与地面之间、基于诱骗态的量子密钥生成和分发，实现卫星与地面之间以量子密钥为核心的绝对安全的保密通信试验，从而为建立全球范围的量子通信网络打下技术基础。

近年来，随着光纤量子通信网络技术的发展，通过星地量子密钥分发过程组建真正的广域量子通信网络已经成为可能。该实验将在实现高速星地量子密钥分发的基础上，与两个光学地面站及其附属的两个局域光纤量子通信网络相结合，通过卫星中转的方式组建真正意义的广域量子通信网络。

在该实验中，卫星上的量子纠缠光源同时向两个地面站分发纠缠光子，在完成量子纠缠分发后，对纠缠光子同时进行独立的量子测量。通过对千公里量级量子纠缠态的观测，开展空间尺度量子力学完备性检验的实验研究。

量子隐形传态是一种全新的通信方式，是量子网络与量子计算的基本过程。该实验将在量子存储的帮助下，探索卫星与地面之间远距离的真正意义及量子隐形传态的可行性，在类空间条件下完成量子力学非定域性的实验检验。

墨子号卫星平台载荷包括：量子密钥通信机、量子纠缠发射机、量子纠缠源和量子实验控制与处理机。

墨子号卫星上的量子密钥分发系统重约130千克，需要130瓦的功率，其科学实验任务还包括双向量子纠缠分发和量子隐形传态在内的纠缠相关量子通信实验等。

卫星上的量子纠缠源，其体积只有机顶盒的大小，作用却非常关键，它能够产生纠缠光，是量子卫星在空中做各种实验的源头。平时实验室里纠缠源的体积非常巨大，研究人员不仅把它做到了小型化，还通过一系列的创新让它实现了满足空间环境要求，在国际上是首次实现。

2016年2月25日，量子科学实验卫星工程完成大系统联试。

2016年4月11日，发射墨子号的长征二号丁运载火箭完成出厂评审。

2016年8月16日凌晨1时40分，中国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁遥三十二运载火箭将世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空。

2017年1月18日，世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”在圆满完成4个月的在轨测试任务后，正式交付中国科学技术大学使用；同年6月15日，中国科学家在美国《科学》杂志上报告说，中国“墨子号”量子卫星在世界上首次实现1000千米量级的量子纠缠，这意味着量子通信向实用迈出一大步；同年8月12日，“墨子号”取得最新成果——国际上首次成功实现1000千米级的星地双向量子通信，为构建覆盖全球的量子保密通信网络奠定了坚实的科学和技术基础，墨子号量子卫星提前完成了预先设定的全部三大科学目标；同年9月29日，世界首条量子保密通信干线“京沪干线”与“墨子号”科学实验卫星进行天地链路，中国科学家成功实现了洲际量子保密通信。这标志着中国已在全球构建出首个天地一体化广域量子通信网络雏形，为未来实现覆盖全球的量子保密通信网络迈出了坚实的一步。

2018年1月，在中国和奥地利之间首次实现距离达7600千米的洲际量子密钥分发，并利用共享密钥实现加密数据传输和视频通信。该成果标志着“墨子号”已具备实现洲际量子保密通信的能力。

2020年6月15日，中国科学院宣布，“墨子号”量子科学实验卫星在国际上首次实现1000千米级基于纠缠的量子密钥分发。该实验成果不仅将以往地面无中继量子密钥分发的空间距离提高了一个数量级，并且通过物理原理确保了即使在卫星被他方控制的极端情况下依然能实现安全的量子密钥分发。国际学术期刊《自然》于北京时间2020年6月15日23时在线发表了这一成果。

2022年5月5日，从中国科学技术大学获悉，该校教授潘建伟及其同事彭承志、陈宇翱、印娟等利用“墨子号”量子科学实验卫星在远距离的量子态传输方面取得重要实验进展。该实验刷新世界纪录，首次实现了地球上相距1200千米两个地面站之间的量子态远程传输，向构建全球化量子信息处理和量子通信网络迈出重要一步。相关研究成果于2022年4月26日在线发表在国际知名学术期刊《物理评论快报》上。

2019年2月14日，中国研究人员在美国华盛顿说，“墨子号”量子科学实验卫星预计将超出预期寿命、继续工作至少2年以上，并展开更多国际合作。

墨子号卫星对精准控制的要求非常高，卫星飞行中，携带的两个激光器要分别瞄准两个相距上千公里的地面站，向左向右同时传输量子密钥，且卫星上的光轴和地面望远镜的光轴要始终精确对准，就好比卫星上的“针尖”对地面上的“麦芒”。科研团队进行了各种实验，考验超远距离“移动瞄靶”能力，最终突破了星地光路对准等关键技术，通过平台和载荷两级控制的方式，对准精度可以达到普通卫星的10倍。

激光器-站的试验，对一站模式有人做过，但一颗卫星对准两个地面站国际上还从来没有过。墨子号在国际上也是首次实现这么高精度的跟踪和地面站配合。

2017年，建成世界首条量子保密通信干线“京沪干线”。“墨子号”牵手“京沪干线”，中国科学技术大学潘建伟、陈宇翱、彭承志等与中科院上海技术物理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络有限公司合作，构建了全球首个星地量子通信网。经过两年多稳定性、安全性测试，实现了跨越4600千米的多用户量子密钥分发。整个网络覆盖中国四省三市32个节点，包括北京、济南、合肥和上海4个量子城域网，通过两个卫星地面站与“墨子号”相连，已接入金融、电力、政务等行业的150多家用户。

2022年8月中国央视消息，中国科学技术大学潘建伟院士科研团队与中国科学院大学杭州高等研究院院长王建宇院士团队，通过“天宫二号”和4个卫星地面站上的紧凑型量子密钥分发（QKD）终端，实现了空-地量子保密通信网络的实验演示。相关论文刊登在国际学术期刊《光学》上。科研团队通过高精度自动跟瞄系统与“天宫二号”上的量子密钥分发终端相配合，在地面站与目标飞行器之间建立起量子信道，并在此基础上开展了空-地量子密钥分发试验。

“量子密钥分配试验空间终端”，以实现世界上首个基于载人航天空间平台的空-地量子密钥分配试验为目标，在地面站与目标飞行器之间建立起量子信道，为载人航天的空地间量子保密通信，以及未来的实用化天地一体广域量子保密通信网络建设打下基础。

墨子号量子科学实验卫星过境中国时，同时与青海德令哈站和云南丽江站两个地面站建立光链路，量子纠缠光子对从卫星到两个地面站的总距离平均达2000千米，跟瞄精度达到0.4μrad。卫星上的纠缠源载荷每秒产生800万个纠缠光子对，建立光链路可以以每秒1对的速度在地面超过1200千米的两个站之间建立量子纠缠，该量子纠缠的传输衰减仅仅是同样长度最低损耗地面光纤的一万亿分之一。在关闭局域性漏洞和测量选择漏洞的条件下，研究团队发现，获得的实验结果以4倍标准偏差违背了贝尔不等式，即在1000千米的空间尺度上实现了严格满足“爱因斯坦定域性条件”的量子力学非定域性检验。

墨子号卫星应用研究成果，发展起来的高效星地链路收集技术，可以将量子卫星载荷重量由原来的几百千克降低到几十千克以下，将地面接收系统的重量由现有的10余吨大幅降低到100千克左右，实现接收系统的小型化、可搬运，为将来卫星量子通信的规模化、商业化应用奠定基础。

2019年12月24日，济南量子技术研究院完成地面站部署，并与墨子号量子科学实验卫星对接测试成功，这标志着中国首个小型化可移动量子卫星地面站在济南建设完成。济南量子技术研究院自2019年开始启动小型化量子通信卫星地面站系统项目，位于院楼顶的这座地面站，大约只有一个油漆桶大小，重量仅80多千克，加上28厘米望远镜的设备，便构成了一个可移动量子卫星地面站，它由中国科大、科大国盾、济南量子技术研究院承担建设，是中国首个小型化可移动量子卫星地面站。后续研发人员成功把地面站小型化，不但制造成本大幅压缩，还可以装载在车上随时随地使用，可以在产业化方面推广。

量子通信研究人员利用光学一体化粘接技术实现了具有超高稳定性的光干涉仪，无需主动闭环即可长期稳定。利用该技术的突破，结合基于双光子路径-偏振混合纠缠态的量子隐形传态方案，在云南丽江站和德令哈地面站之间完成了远程量子态的传输验证。实验中对六种典型的量子态进行了验证，传送保真度均超越了经典极限。上1000千米的距离为截至2022年地表量子态传输的新纪录。

墨子号卫星全部柔性薄膜热控涂层以及下裙铝合金光亮氧化热控涂层获得了成功应用。

上海硅酸盐所承担了包括“宽幅导电型F46薄膜镀银二次表面镜”、“宽幅防静电PI薄膜镀铝二次表面镜”在内的柔性薄膜热控涂层材料的研发工作，为卫星的正常在轨运行提供重要保障。使用的宽幅导电型F46薄膜镀银二次表面镜是在宽幅防静电F46薄膜镀银二次表面镜基础上研发成功的一种全新的低吸辐比柔性薄膜二次表面镜，具有更为可靠的空间防静电性能。该所是中国仅有掌握宽幅防静电F46镀银二次表面镜研制技术的科研单位，也是全世界能批量提供该型热控涂层的两家提供单位之一。

上海硅酸盐所承担了墨子号卫星光亮氧化热控涂层的研发，采用了化学的方法，在卫星下裙表面原位生长了一层具有低太阳吸收比、高红外发射率的热控涂层材料。该次研制的热控涂层突破了热辐射指标要求高及卫星下裙尺寸大、形状复杂程度高等涂层制备难点。获得的涂层由氧化铝构成，具有硬度高、空间稳定性好的特点，为卫星与运载火箭的在轨分离及在轨长期正常运行提供重要保障。

中国后续还计划发射“墨子二号”“墨子三号”。由于单颗低轨卫星无法覆盖全球，同时由于强烈的太阳光背景，截至2022年的星地量子通信只能在夜间进行。要实现高效的全球化量子通信，还需要形成一个卫星网络。按照规划，一个由几十颗量子卫星组成的“璀璨星群”，将与地面量子通信干线“携手”，支撑起“天地一体”的量子通信网。

到2030年左右，中国力争率先建成全球化的广域量子保密通信网络。在此基础上，构建信息充分安全的“量子互联网”，形成完整的量子通信产业链和下一代国家主权信息安全生态系统。

2016年底，美国《科学美国人》评选的中，“墨子号”量子卫星作为仅有诞生于美国本土之外的创新技术入选2016年度“改变世界的十大创新技术”。

2019年1月31日，美国科学促进会宣布，中国科学技术大学潘建伟教授领衔的墨子号量子科学实验卫星科研团队被授予2018年度克利夫兰奖，以表彰该团队通过实现1000千米级星地双向量子纠缠分发推动大尺度量子通信实验研究做出的贡献。

2016年8月15日，中国量子科学实验卫星首席科学家、中国科学院院士潘建伟在酒泉卫星发射中心接受媒体采访时透露，量子科学实验卫星已正式命名为“墨子号”。这是量子卫星的名字首次公开。潘建伟说：“卫星之名取自于中国科学家先贤，体现了中国的文化自信。”

哲学家、墨家学派创始人墨子也是一位鲜为人知的伟大科学家，《墨经》里记载了世界上第一个“小孔成像”实验，该实验解释了小孔成倒像的原因。墨子提出光是沿着直线传播的，也是第一次对光是直线传播的解释——这在光学中也是非常重要的一条原理。用“墨子号”来命名量子卫星，和项目本身的意义相符，也体现了中国的文化自信。

“墨子号”的成功发射，将使中国在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信，构建天地一体化的量子保密通信与科学实验体系。量子卫星的成功发射和在轨运行，将有助于中国在量子通信技术实用化整体水平上保持和扩大国际领先地位，实现国家信息安全和信息技术水平跨越式提升，有望推动中国科学家在量子科学前沿领域取得重大突破，对于推动中国空间科学卫星系列可持续发展具有重大意义。（中国政府网、新华网 评）

美国波士顿大学的量子物理学家亚历山大·谢尔吉延科说：“这个事确实很让人激动，因为它是首次开展此类试验，因此对全球都有重要意义。量子通信的竞赛自1995年欧洲科研人员在日内瓦湖底进行量子密钥分发的最初演示时就开始了。在那以后，英国、美国、日本和中国等国家都在探索城市间的量子通信网络，而这场竞赛从地面进入了太空，因为卫星能连接相距遥远的不同都市。中国在发射量子卫星方面走在了前面。”

英国剑桥大学量子物理学教授阿德里安·肯特说：“我对中国发射量子卫星这事感到很兴奋。”他认为，这是为使用量子技术构建全球性安全通信网络迈出的“第一步”。

得益于量子保密通信绝对安全性，量子通信不仅应用于百姓日常通信，也可用于水、电、煤气等能源供给和民生网络基础设施的通信保障，还可应用于国防、金融、商业等领域，势必对产业界和科技界产生巨大变革。墨子号也开启了全球化量子通信、空间量子物理学和量子引力实验检验的大门，为中国在国际上抢占了量子科技创新制高点，成为了国际同行的标杆，实现了“领跑者”的转变。以墨子号卫星系统为代表的量子信息科技属于战略性、基础性的前沿科技创新领域，可以在确保信息安全、提高运算速度、提升测量精度等方面突破经典技术的瓶颈，事关全球科技革命和产业变革的走向，是国际竞争的焦点。量子通信有望解决金融、政务、商业等领域的信息传输安全问题。（中国科学院、中国科学技术大学 评）