从2003年萌发量子卫星通信的想法，到2017年“墨子号”预定科学实验任务全部完成，中国科学家经过了14年的努力。从跟跑、并跑到领跑的漂亮“冲刺”背后，是他们追求原创、铢积寸累、协同攻关的故事。

中国科学院院士、中国科学技术大学（以下简称“中国科大”）教授潘建伟介绍，不久的将来，星空上还将出现“量子星座”，形成覆盖全球、全天时服务的量子通信网络。科学家甚至可能将量子实验搬上月球，在地球和月球之间建立起超长的量子纠缠分发，更加深入地探索量子物理基本原理。

“一个疯狂的设想”

1996年，从中国科大硕士毕业的潘建伟，前往奥地利攻读博士学位。导师蔡林格见到他问的第一个问题是：“你的梦想是什么？”潘建伟脱口而出：“我将来想在中国建一个像您这里一样的实验室，世界一流的量子光学实验室。”

1997年在蔡林格的实验室，潘建伟与同事首次在国际上实现了量子远程传态，也称量子隐形传态。这一成果被认为是量子信息实验研究的开山之作，直观地向人们展示了量子力学的神奇。

随后，量子信息在国际上蓬勃发展。潘建伟在与量子“纠缠”的同时，首先想到的是立足国内。然而，那时国内的量子信息研究几乎一片空白，不仅少有人懂，有时甚至还被认为是“伪科学”。

2001年，在完成多个量子信息领域奠基性实验工作之后，31岁的潘建伟决定回国，在中国科大组建量子物理与量子信息实验室，独立开展量子信息研究。

虽然是从零开始，但实验室在组建之初就得到中国科学院、中国科大、国家自然科学基金委员会等机构的大力支持，所以发展非常快。仅2003年一年，潘建伟研究组就作为第一单位在国际高水平期刊《物理评论快报》发表7篇论文。

但潘建伟想做的事不只是发论文，他还要把论文中的蓝图变成现实。彼时，他有了“一个疯狂的设想”——利用卫星实现远距离量子纠缠分发。

通信安全是国家信息安全和人类经济社会生活的基本需求。千百年来，人们对通信安全的追求从未停止。量子通信作为目前唯一已知的信息论可证的安全传输方式，可以大幅提高信息安全水平，也是量子信息领域最接近实用化的一个方向。

潘建伟介绍，之所以需要发射卫星来建立天地间量子通信网络，是因为地面光量子信号的传输主要以光纤为信道，而光纤传输过程中信号损失相当严重。实验表明，光纤传输的量子通信信号在200公里以外就几乎被吸收殆尽。如果想实现远距离量子通信传输，就必须建立多个需要人为保障安全的可信中继站，这无疑增加了信息被窃取的概率。

而外太空几乎是真空，光信号损耗非常小，利用量子卫星作为中转站，可以将多个城市的城域量子通信网络连接起来，极大地延长量子通信距离。

在本世纪初，该方向就已成为国际学术界激烈角逐的焦点。谁能拔得头筹，就意味着谁能占据量子通信的制高点。

“过去，我们在科研领域常常扮演追随者和模仿者的角色，研究方向的选定、科研项目的设立都先要看看国际上有没有人做过。量子信息是一个全新学科，我们必须学会和习惯做开拓者。”潘建伟说。

潘建伟（前排中）实验团队在讨论数据。

年轻的“先遣部队”

要实现星地间量子纠缠分发，第一步就是要验证实验发出的光子能否穿透等效厚度为10公里的大气层。

2003年，当时还是博士生的彭承志被潘建伟委以重任，“你工程能力强，大胆去试试”。潘建伟还建议他“可以到大蜀山去做”。

一年后，彭承志与同事在安徽合肥大蜀山完成了中国空间量子通信领域的“开山之作”——全球首次13公里自由空间量子纠缠分发和量子通信实验，证实了量子纠缠在穿透大气层后依然能够保留。

这次实验结果给了潘建伟很大的信心。2006年，他郑重地向中国科学院提出那个“疯狂设想”，并得到了院党组和主管部门的支持。

2007年，中国科学院超常规地启动了两个知识创新工程重大项目“远距离量子通信实验研究”和“空间尺度量子实验关键技术与验证”。此后，在这两大项目的支持下，潘建伟团队对自由空间量子实验关键技术进行了大量研究。

从2007年4月开始，他们在北京八达岭长城附近和河北省张家口市怀来县古城遗址之间搭起通信平台，用两年时间完成了16公里的自由空间量子隐形传态实验。这是当时世界上距离最远的量子隐形传态实验。

2009年，正在读博士的印娟与同事一起在海拔3200米以上的青海湖搭帐篷、做实验。这次，他们要模拟量子信号在星地间传输的超高几何损耗，实验点就在青海湖中的小岛“海心山”上。

然而，由于设备稳定性差、技术不成熟等因素，这次实验一直没能取得预期效果。加上海心山不对外开放，生活和交通都不方便。他们只得先行返回中国科大实验室，重新调整方案。

2010年，印娟等人满怀信心再上青海湖，从6月盛夏坚持到11月飘雪时节，最终在国际上首次实现百公里级量子隐形传态和量子纠缠分发，充分验证了在高损耗的星地链路中实现量子通信的可行性。

“在小岛上，青海湖管理局的工作人员每个月开船给大家送一次生活补给，比如土豆、鸡蛋这些好保存的食材，以及饮用水，最重要的是设备用发电机所需的柴油。因为没有条件洗澡，大家裹军大衣、蓬头垢面是常态。”印娟说，这是一段艰苦又难忘的时光。

驻守在海心山上的研究人员。

紧接着，他们又模拟了卫星-地面之间的量子通信。他们想了很多办法，如把设备安装在吊车、卡车上，或者让设备随着热气球升空，甚至还利用飞机进行了角速度模拟实验。经过一系列模拟实验，他们验证了高精度捕获跟瞄技术、高灵敏能量分辨探测技术、星载量子光源技术等。

“上述实验都在2011年左右结束，系列实验成果在‘墨子号’立项论证过程中起到至关重要的作用，关键技术最终用在了‘墨子号’上。”潘建伟说。

潘建伟说：“我们对年轻人的态度就是，只要能干、愿意干，就放手让他们去干，让他们在摸爬滚打的实践中得到成长。”

联合团队协同攻关

2011年1月25日，潘建伟团队迎来一个关键转折点——中国科学院启动战略性先导科技专项“空间科学”，“量子科学实验卫星”等4颗科学卫星入选。

2011年12月，量子科学实验卫星工程立项综合论证报告通过专家评审。中国科学院在北京召开会议，审议了工程总体方案及六大系统总体方案的可行性，明确了工程研制建设的主要问题、工程的总体计划安排。

量子科学实验卫星工程由中国科学院国家空间科学中心抓总负责；中国科大负责科学目标的提出和科学应用系统的研制；中国科学院上海微小卫星工程中心（中国科学院上海微小卫星创新研究院前身）抓总研制卫星系统，中国科学院上海技术物理研究所联合中国科大研制有效载荷分系统；中国科学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与。（记者王敏）

（未完待续）

责任编辑：魏敏