量子科学实验卫星“墨子号”

所属组织	中国科学院
主制造商	中国科学院上海微小卫星工程中心[1]
任务类型	量子科学实验
入轨时间	2016年8月16日1时51分29.789秒
发射时间	2016年8月16日1时40分04.546秒
运载火箭	长征二号丁运载火箭 遥三十二
发射地点	酒泉卫星发射中心
任务时长	两年
COSPAR ID	2016-051A
SATCAT no.	41731
质量	631公斤
轨道参数
轨道类型	太阳同步轨道
倾角	97.36°[2]
远拱点	584公里[2]
近拱点	488公里[2]
周期	94.6分钟

量子科学实验卫星（英语：Quantum Experiments at Space Scale，缩写：QUESS^[3]），简称量子卫星，名为墨子号^[4][5]，是世界首颗量子科学实验卫星^[6]，质量为631公斤，设计寿命2年^[7]。量子卫星项目为中国科学院空间科学先导专项项目之一，也是是“十三五”的重点计划之一，^[8]由中科院国家空间科学中心总负责，于2011年12月立项^[9]。维也纳大学和奥地利科学院正在运行该卫星的欧洲接收站。^[10][11]

2016年8月16日1时40分，卫星于酒泉卫星发射中心搭载长征二号丁运载火箭发射升空^[12][13]，成为全球第一颗设计用于进行量子科学实验的卫星^[14][15]。这是一项概念验证项目，旨在促进长距离的量子光学实验，以允许开发量子加密和量子隐形传态技术。^[16][17][18]量子加密使用量子纠缠原理，可以绝对检测到是否有第三方在传输过程中截获了消息。^[19]

2017年6月16日，墨子号首先成功实现两个量子纠缠光子被分发到相距超过1200公里的距离后，仍可继续保持其量子纠缠的状态^[20]。2019年，墨子号整体实验设计获美国《科学》杂志评选得克利夫兰奖（英语：Newcomb Cleveland Prize）^[21]。

命名

量子卫星命名为“墨子号”，是为了纪念中国战国时期思想家、教育家、科学家，墨家学派的创始人墨子在物理学尤其是光学领域的突出成就，在他所著的《墨经》中归纳出“光学八条”。^[22]其中包括两千多年前，墨子进行了世界上最早的小孔成像实验，最先发现了光沿直线传播这一光学领域最重要的科学原理^[23]，奠定了光通信的基础。而且他也提出了“粒子论”的雏形，关于“端”的论述，指出“端”是不占有空间的，是物体不可再细分的最小单元。^{[4][24][25][26]}

以科学先贤为科学卫星命名以彰显研发国家的文化和科学成就，亦是国际惯例。^[22]

背景

量子密钥分发基于量子纠缠的原理，向通信双方发送量子纠缠态的光子。根据物理学理论，无论相距多远，一对纠缠量子只要其中一粒状态产生变化，另外一粒亦会立即出现相应的转变。^[27]由于任何外界的测量都会改变量子纠缠的形态，因而一旦密码被窃听，双方都会获知，而放弃此次通信。^[28]

但是光纤本身存在损耗，而且会导致纠缠品质下降；而近地面自由空间通信又受到天气、障碍物和地面曲率的影响；因而广域光量子传输转向采用卫星中转的方式。^[29]中国在2012年成功实现了世界上最远距离的量子态隐形传输——青海刚察湖两岸长达97公里的自由空间量子信道^[30]，亦于2013年成功完成国际上首次星地量子密钥分发地基验证试验，克服卫星与地球之间的相对运动偏差及大气层传输耗损^[31][32]，证实了量子态隐形传输穿越大气层的可行，为基于卫星中继的全球化量子通信网奠定基础。

任务及有效载荷

任务

合肥

兴隆

南山

德令哈

丽江

阿里

维也纳

地面站分布
“量子密钥分发实验”：兴隆与南山／兴隆与维也纳
“量子纠缠分发实验”：南山与德令哈／德令哈与丽江
“量子隐形传态实验”：阿里

量子科学实验卫星在轨运行两年期间将执行四项实验任务以达成两大科学目标：进行经由卫星中继的“星地高速量子密钥分发实验”，并在此基础上进行“广域量子通信网络实验”，以期在空间量子通信实用化方面取得重大突破；及进行“星地双向纠缠分发实验”与“空间尺度量子隐形传态实验”，开展空间尺度量子力学完备性检验的实验研究，四项实验皆为世界上首次开展^{[29][33][34][35]}。卫星同时会透过高速相干镭射通信机开展与地面通信接收站之间的实时“星地双向镭射通信技术演示试验”，为第二代镭射通信设备，速率达5Gbps^[36][37][38]。

为了执行这些任务，除了卫星和位于安徽合肥的量子科学实验中心之外，地面上也建设了四个量子通信地面站（分别位于河北兴隆、新疆乌鲁木齐南山、青海德令哈、云南丽江），以及位于西藏阿里的量子隐形传态实验站^{[1][39][24][7]}。除此以外，奥地利科学院和维也纳大学的科学家也与中国方面合作，在维也纳和格拉茨设置了量子通信地面站^[40][41][42]。

一旦中国国内的实验结束，量子科学实验卫星将尝试在中国与奥地利维也纳的量子光学和量子信息研究所（英语：Institute for Quantum Optics and Quantum Information）（IQOQI）之间建立一个国际QKD信道 - 地面距离为7,500 km（4,700 mi） ，可能还有其他欧洲量子通信地面站^[43][44]。

有效载荷

卫星上搭载的主要有效载荷有5个，分别是量子密钥通信机、量子纠缠发射机、量子纠缠源、量子试验控制与处理系统、高速相干镭射通信机^{[1][45][46][36]}。

单个光子传送距离逹500公里，为了实现同时瞄准两个地面站进行光通信，卫星平台和有效载荷进行一体化设计，具备两套独立的有效载荷指向机构，通过姿控指向系统协同控制，实现时刻矫正位置、姿态，精确对准地面接收器，精度可以达到普通卫星的10倍，是此前世界上未曾达到的精细度^{[47][28][1][9]}。

国家空间科学中心抓总负责量子卫星工程。上海微小卫星工程中心创新研究院是卫星系统的总体单位。上海技术物理研究所牵头负责有效载荷，中国科学技术大学和上海光学精密机械研究所参与研制有效载荷分系统^[12]。

工作原理

后续

如果这次量子卫星通信实验顺利完成，下一步将计划研究“星间量子通信技术”等，发射更多量子通信卫星，在2020年建成亚洲与欧洲的洲际量子通信网络，在2030年建成20颗卫星规模的全球量子通信网络。^[48][28][24]

科研贡献

中国科学技术大学潘建伟教授及其同事彭承志、印娟等组成的研究团队，联合牛津大学Artur Ekert、中科院上海技术物理研究所王建宇等团队，利用“墨子号”量子科学实验卫星在国际上首次实现千公里级基于纠缠的量子密钥分发，堵塞了过去量子卫星作为中继节点时的安全漏洞。该实验通过物理原理，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通信，取得了量子通信现实应用的重要突破，如同给千公里级安全量子加密通讯装上“金钟罩”。2020年6月15日，该研究成果以题为“基于纠缠的千公里级安全量子加密(Entanglement-based secure quantum cryptography over 1,120 kilometres)”的研究论文在线发表在国际著名学术期刊《自然》杂志。《自然》杂志审稿人称赞该工作”展示了一项开创性实验的结果”和“这是朝向构建全球化量子密钥分发网络甚至量子互联网的重要一步”，不依赖可信中继的长距离纠缠量子密钥分发协议实验的实现是一个里程碑”。^[49][50]

战略意义分析

项目的首席科学家潘建伟告诉路透社，指该项目在国防领域具有“巨大的前景”。^[51]该卫星提供了北京与乌鲁木齐之间的绝对安全通信。《华尔街日报》分析指出，此次发射使中国领先于竞争对手，并使他们更接近建构一个完全防止黑客的通讯方式。并指出该计划应是受美国全球监控计划所激励而加快推动。美国在2013年被前CIA员工爱德华·斯诺登揭发，在全球范围内秘密监听多国领袖及重要人物，引起巨大的政治及安全争议。因此为了隔绝被敌对国家监控，中国致力投入量子技术，墨子号卫星因此又称其为“后斯诺登时代的卫星”。^{[52][53][54][55]}

相关搭载

长征二号丁运载火箭是次“一箭三星”同时发射墨子号量子卫星、力星一号稀薄大气科学实验卫星及加泰罗尼亚理工大学设计研制的³Cat-2 6U立方体卫星。

• 力星一号重110公斤，由中科院力学研究所与中科院上海微小卫星工程中心联合研制，分离后降轨至100-150公里近地轨道，开展稀薄大气环境探测等科学实验，是迄今为止运行轨道最低、速度最快的人造地球卫星^[56]。8月19日，完成任务再入大气层。
• ³Cat-2卫星重7公斤，它是³Cat系列的第二颗小卫星，携带了一个全球卫星导航系统反射载荷（GNSS-R）用于地球观测，在量子卫星分离后33秒与运载火箭分离^[57]。

参见

• 中华人民共和国航天
  • 空间科学先导专项项目：硬X射线调制望远镜、暗物质粒子探测卫星、实践十号
• 量子信息
  • 量子通信：全通型量子通信网
  • 量子密码学
  • 量子计算机
• 量子力学：量子力学入门
• 潘建伟（中国量子物理学家，量子卫星计划首席科学家）
• 安东·蔡林格（奥地利量子论物理学家，维也纳大学物理学教授）
• 墨子（中国古代思想家、科学家、工程师，研究力学和光学，提出原子论“端”）

参考资料

引用

来源

外部链接

• 维基新闻相关报导：中国成功发射世界上首颗量子通信卫星

查 论 编 中华人民共和国航天 国家航天局（CNSA） 中国载人航天工程办公室（CMSA） 运载火箭 查 论 编  中国运载火箭 现役 国营 长征系列 长征二号丙 长征二号丁 长征二号F 长征三号甲 长征三号乙 长征三号丙 长征四号乙 长征四号丙 长征五号 长征五号B 长征六号 长征六号甲 长征六号丙 长征七号 长征七号改 长征八号 长征十一号 龙系列 捷龙一号 捷龙三号 快舟系列 快舟一号 快舟一号甲 快舟十一号 混合 中科系列 力箭一号 民营 星际荣耀 双曲线一号 星河动力 谷神星一号 蓝箭航天 朱雀二号 天兵科技 天龙二号 东方空间 引力一号 研制中 国营 长征系列 长征六号X 长征九号 长征十一号甲 长征十号 长征十号甲 长征十二号 龙系列 捷龙二号 腾龙一号 快舟系列 快舟二十一号（英语：Kuaizhou#Models） 西北工业大学 飞天一号 混合 中科系列 力箭二号 力箭三号 民营 星际荣耀 双曲线三号 零壹空间 灵龙一号 灵龙二号 深蓝航天 星云一号 星河动力 智神星一号 天兵科技 天龙三号 火箭派 达尔文二号 蓝箭航天 朱雀三号 东方空间 引力二号 退役 长征系列 长征一号 长征一号丁 长征二号甲 长征二号E 长征三号 长征四号甲 风暴一号 开拓者系列 开拓者一号 开拓者二号 开拓者二号甲 朱雀一号 OS-M 注：本模板不收录已取消研发的发射载具 斜体表示该型火箭已经发射过但还未成功进入轨道 参见：中国运载火箭发射列表、YF系列火箭发动机、远征系列上面级、新长征系列运载火箭、模板:长征系列运载火箭 卫星 遥感 返回式卫星 遥感系列卫星 高分专项工程 吉林一号 天绘系列卫星 地球观测 海洋系列卫星 海洋一号 海洋二号 资源系列卫星（部分与巴西合作） 资源一号 资源二号 资源三号 环境监测 环境减灾卫星 云海系列卫星 云海一号 云海二号 云海三号 气象 风云系列卫星 军事侦察 尖兵系列卫星 通信与广播 东方红系列 东方红一号 东方红二号 东方红三号 东方红四号 东方红五号 中星系列卫星 鑫诺卫星 亚太卫星 亚洲卫星 烽火系列卫星 神通系列卫星 通信技术试验系列卫星 天通一号 跟踪与数据中继 天链系列中继卫星 天链一号01 天链一号02 天链一号03 天链一号04 天链一号05 天链二号01 导航与定位 北斗卫星导航试验系统（北斗一号） 北斗卫星导航系统（北斗二号、北斗三号） 中国区域定位系统 天文与空间科学观测 进行中 双星计划（与欧洲合作） 暗物质粒子探测卫星（悟空号） 硬X射线调制望远镜（慧眼号） 引力波暴高能电磁对应体全天监测器（怀柔一号） 羲和计划 太阳Hα光谱探测与双超平台科学技术试验卫星 夸父计划 先进天基太阳天文台 太极计划 微重力技术实验卫星 天琴计划 天琴一号技术试验卫星 爱因斯坦探针卫星 天基多波段空间变源监视器（与法国合作） 未来计划 巡天号光学舱 太阳风—磁层相互作用全景成像卫星（与欧洲合作） 增强型X射线时变与偏振空间天文台（与欧洲合作） 资助项目 空间科学先导专项 技术研究与试验 实践系列卫星 量子科学实验卫星（墨子号） 全球二氧化碳监测科学实验卫星 陆地生态系统碳监测卫星（句芒号） 希望一号 脉冲星导航试验卫星 天源一号 张衡一号 张衡二号（与意大利合作） 空间探测器 月球探测 嫦娥系列 一号 二号 三号 再入返回飞行试验器 鹊桥 四号 五号 鹊桥二号 六号 七号 八号 月球车 玉兔号 玉兔二号 小行星探测 嫦娥二号 天问二号 行星探测 火星探测 萤火系列火星探测器 萤火一号 天问系列火星探测器 天问一号 天问三号 火星车 祝融号 外太阳系探测 天问四号 星际快车 载人航天 载人飞船 已完成 神舟飞船 一号 二号 三号 四号 五号 六号 七号 八号 九号 十号 十一号 十二号 十三号 十四号 十五号 十六号 十七号 进行中 神舟飞船 十八号 未来计划 神舟飞船 十九号 二十号 梦舟飞船 揽月着陆器 已取消 曙光一号 货运飞船 已完成 天舟 一号 二号 三号 四号 五号 进行中 天舟 六号 七号 未来计划 天舟 八号 空间站 已完成 天宫一号 天宫二号 伽马暴偏振探测器（天极号） 进行中 天宫空间站 天和核心舱 问天实验舱 梦天实验舱 未来计划 天宫空间站 巡天号光学舱 高能宇宙辐射探测设施 伽马暴偏振探测器二号 月球科研站 已取消 天宫三号 载人登月 未来计划 长征十号 梦舟Y飞船 揽月着陆器 设施 航天城 东风航天城 北京航天城 上海航天城 文昌航天城 东方航天港 控制中心 北京航天飞行控制中心 测控通信系统 中国西安卫星测控中心 中国航天测控站 中国卫星海上测控部（辖远望号船队） 中国深空测控网 发射场系统 中国酒泉卫星发射中心 中国西昌卫星发射中心（辖文昌航天发射场） 中国太原卫星发射中心（辖中国东方航天发射港） 中国文昌商业航天发射场（建设中） 着陆场系统 四子王旗着陆场 东风着陆场 机构 工信部下属 国防部第五研究院→第七机械工业部→航天工业部→航空航天工业部→航天工业总公司（国家航天局）→国家航天局 对地观测与数据中心 探月与航天工程中心 深空探测实验室 军队系统 解放军总装备部→中央军委装备发展部 中国载人航天工程办公室 中国航天员科研训练中心 战略支援部队航天系统部→军事航天部队 航天员大队 航天侦察局 国资委下属 航天科技集团 中国运载火箭技术研究院 一院 航天动力技术研究院 四院 中国空间技术研究院 五院 航天推进技术研究院 六院 四川航天技术研究院 七院 上海航天技术研究院 八院 中国航天电子技术研究院 中国航天空气动力技术研究院 十一院 中国卫通 航天科工集团 信息技术研究院 一院 防御技术研究院 二院 飞航技术研究院 三院 运载技术研究院 四院 动力技术研究院 六院 航天科工火箭技术有限公司 中国卫星网络集团 中科院系统 中国科学院空间应用工程与技术中心 中国科学院微小卫星创新研究院 中国科学院国家空间科学中心 中国科学院力学研究所 中国科学院空天信息创新研究院 天文台（国家天文台 上海天文台 紫金山天文台） 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 气象局系统 国家卫星气象中心 国家空间天气监测预警中心 航天院校 北京航空航天大学 南京航空航天大学 哈尔滨工业大学航天学院 沈阳航空航天大学 中国人民解放军战略支援部队航天工程大学 清华大学航天航空学院 上海交通大学航空航天学院 西安交通大学航天航空学院 西南交通大学力学与航空航天学院 浙江大学航空航天学院 西北工业大学航天学院 中国人民解放军国防科技大学空天科学学院 中南大学航空航天学院 电子科技大学航空航天学院 西华大学航空航天学院 中国科学技术大学深空探测学院 北华航天工业学院 桂林航天工业学院 四川航天职业技术学院 四川航天高级技工学校 人物 科学家 钱学森 赵九章 杨嘉墀 杨南生 屠善澄 屠守锷 王永志 王希季 戚发轫 孙来燕 孙家栋 陈芳允 竺苗龙 欧阳自远 杜庆华 范瑞祥 胡海昌 胡世祥 黄春平 黄纬禄 龙乐豪 栾恩杰 卫一清 叶培建 庄逢甘 任新民 江绵恒 张贵田 张其彬 张庆伟 梁思礼 梁守槃 刘振兴 刘永坦 谢光选 蔡金涛 陆元九 闵桂荣 李济生 姜杰 潘先觉 朱森元 航天员 查 论 编 中国航天员 中国载人航天计划 714工程 921工程 在轨 叶光富 李聪 李广苏 714工程 曙光十九人 （1971年） 未飞退役 王荣森 方国俊 李世长 王志跃 鲁祥孝 柴鸿良 邵志坚 王福全 孟森林 杜金城 刘忠义 张汝祥 王全博 马子忠 董小海 胡占孜 刘崇富 王福和 余桂林 921工程 第一批十四人 （1996年） （1998年） 已飞现役 杨利伟（神五） 费俊龙（神六、神十五） 聂海胜（神六、神十、神十二） 翟志刚（神七、神十三） 刘伯明（神七、神十二） 景海鹏（神七、神九、神十一、神十六） 刘旺（神九） 张晓光（神十） 邓清明（神十五） 未飞退役 陈全 吴杰 潘占春 赵传东 李庆龙 第二批七人 （2010年） 已飞现役 刘洋（神九、神十四） 王亚平（神十、神十三） 陈冬（神十一、神十四） 汤洪波（神十二、神十七） 叶光富（神十三、神十八） 蔡旭哲（神十四） 张陆（神十五） 第三批十八人 （2020年） 已飞现役 朱杨柱（神十六） 桂海潮（神十六） 唐胜杰（神十七） 江新林（神十七） 李聪（神十八） 李广苏（神十八） 未飞现役 其他12名入选航天员待公开 第四批十人 （2024年） 未飞现役 10名入选航天员待公开 相关：中国载人航天工程办公室 航天员大队 航天员中心 航天功勋奖章 纪念活动 纪念日 4月24日中国航天日（2016年起） 3月22日航天质量日 9月21日航天质量日 展馆 中国航天博物馆 中国酒泉卫星发射中心历史展览馆 文昌航天科普中心 东方航天港航天科普馆 航天展示中心 航天三院 北京航空航天博物馆 北京航空航天大学 珠海太空中心 文昌市航天科普馆 展览 中国首次太空漫步航天展 中国载人航天工程三十年成就展 北京（国家博物馆） 香港（科学馆、历史博物馆） 上海（新国际博览中心） 相关作品 书籍 杨利伟自传《天地九重》 《航天七部曲》 《中国飞天路》 《挺进太空》 《问鼎苍穹：共和国航天纪实》 纪录片 《东方神舟》 《撼天记》 《太空英雄》 《非凡21小时》 《神六：再上太空》 《神奇的嫦娥五号》 电视剧 《神舟》 《问天》 电影 《飞天》 《我和我的祖国》

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