航天日上居然出现量子技术？
微观量子与广袤宇宙有何关系？
4月24日-5月3日，以“格物致知 叩问苍穹”为主题的2023年“中国航天日”主场活动在安徽省合肥市举办，以“走向世界的中国航天”为主题的展览同步开展。长征系列运载火箭、探月工程月壤样本、“祝融号”火星车……一系列精彩纷呈的展品全方位地展现了我国航空航天事业取得的辉煌成就。
在主题展览上，还有一块量子信息展区，这里展示了世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”、世界首颗量子微纳卫星、世界首条千公里级量子保密通信“京沪干线”等领跑世界的量子信息技术及产业化成果。不少前来观展的爱好者发出疑问： “量子信息”与“航空航天”似乎是毫不相干的两个领域，为何这些展品会在这里？
航天日量子信息现场
实际上，一直以来，我国量子技术与产业的发展与航空航天密不可分，无论是前沿的量子信息学术研究，还是实用的“星地一体量子保密通信网络”，中国的量子信息技术在航空航天技术的助力下不断衍化出创新成果，走向世界前沿，助力空间科学、空间技术、空间应用的发展。
“墨子号”，从0到1实现领跑
2016年8月16日1时40分，伴随着隆隆巨响，我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”送上太空。为了这一天，中国的量子物理学家们，已经准备了10多年。
早在本世纪初，早在本世纪初，刚刚回国不久的中国科学技术大学教授 潘建伟 就以“构建全球范围量子通信网”为目标，探索实现更远距离的量子通信。这也是当时量子通信领域国际竞争的焦点之一。
2005年， 潘建伟团队 完成了中国在自由空间量子通信领域的“开山之作”，在合肥的大蜀山顶，进行了全球首次长达13公里的自由空间量子纠缠分发和量子通信实验；2010年，他们又成功实现当时世界上最远距离的16公里量子隐形传态；2012年实现全球首个上百公里的自由空间量子隐形传态和量子纠缠分发……这一系列成果，对基于卫星的全球量子通信网络和开展空间尺度量子力学基础检验的可行性进行了全方位的验证。
而随着“墨子号”的升空，中国科学家率先走进颠覆性科技的“无人区”。《华尔街日报》曾以“沉寂了一千年，中国誓回发明创新之巅”为标题发表专题文章，将“墨子号”作为中国创新能力提升的重要标志。我国在量子通信领域从“跟跑者”转变为了“领跑者”。
开启了太空之旅的“墨子号”也不负众望，仅用了一年时间就完成了既定的三大科学实验任务——星地量子密钥分发、星地量子纠缠分发以及地星量子隐形传态。而截至目前，“墨子号”卫星一直在超期服役中，并产出了国际上首次千公里级基于纠缠的无中继量子密钥分发、1200公里地表量子态传输新世界纪录等一系列成果。2022年的，诺贝尔物理学奖颁奖现场，展示了“墨子号”量子卫星的图片，介绍了中国团队的有关成果。
“量子星座”，从1到N向着更高峰迈进！
虽然一颗“墨子号”已经非常“优秀”，产出了诸多领跑世界的成果，但它无法单枪匹马完成很多重要科研验证。
“‘墨子号’只是一个起点，从实用的角度来说，必须要构建由高、中、低轨道卫星组成的‘量子星座’，建立覆盖全球的量子通信网络。” 中国科学院院士 王建宇 表示， “目前，我们至少领先国际水平5年，如果基于中高轨的万公里量子通信卫星顺利发射，我们将至少领先10年。”
因此，我国量子卫星群计划提上日程——计划在5-10年内发射3-5颗低轨量子科学实验卫星，和中高轨量子科学实验卫星一起用“量子星座”覆盖整个地球。这一方面是为了立足当下，加速量子通信实用化进程，另一方面是放眼未来，探索更具颠覆性的前沿领域。
2020年5月，中科院量子信息与量子科技创新研究院牵头立项微纳量子卫星项目。2022年7月27日，我国在酒泉卫星发射中心通过“力箭一号”运载火箭成功发射了世界首颗量子微纳卫星“济南一号”。
“济南一号”发射中心
我国在量子通信领域再次领跑世界，而“领跑”也意味着没有任何先例可供参考，顺利完成科研攻关的难度可想而知。
“科研团队突破了多项关键技术，这才有了‘济南一号’的诞生。”卫星项目负责人之一、中国科学技术大学教授廖胜凯介绍到，“济南一号”量子密钥分发载荷只有23公斤，即使算上整星，也只有98公斤，仅是“墨子号”的六分之一，尺寸、功耗大大减小，研发成本和发射成本远低于“墨子号”。
与此同时，卫星与地面“对话”也更加方便。科大国盾量子技术股份有限公司副总裁唐世彪博士介绍，由国盾量子研发生产的小型化量子卫星地面站较“墨子号”升空时，不仅成码能力进一步提升，重量也由12吨降至100公斤以下，可以在远洋海岛、驻外机构等场景快捷部署……
而作为我国构建“量子星座”的首星，“济南一号”将在未来几年配合“墨子号”以及量子卫星地面站，完成一系列实验任务，并进一步推动我国量子保密通信的商业化。
据已经成为中国科学院院士、中国科学技术大学常务副校长的潘建伟表示，他们目前正在与国家空间科学中心合作，研制一颗中高轨卫星，未来高轨卫星和低轨卫星结合，将建成广域量子通信网络。
“天地一体”，从N到N+面向星辰大海
可以说，一直以来航空航天技术的发展，为包括量子通信技术在内的诸多前沿技术的发展插上了翅膀。
一方面，“飞上太空”的量子信息技术，也可以为探索基础物理研究提供重大支持。在航空航天技术的帮助下，我们可以基于量子卫星平台探索基于光钟的引力波探测；也可以尝试探测暗物质对基本常数的影响，以及国际基本计量单位传递能力等物理学基本原理检验，量子纠缠、量子非定域性和量子引力等方面的研究，进一步探索前沿科学和广袤宇宙。
另一方面，包括“墨子号”在内的“量子星座”，通过量子卫星地面站进一步与地面光纤量子保密通信网络结合，量子通信技术进一步实用化，服务政务、金融、能源等领域，直至走进千家万户。
星子星座效果图
2017年，世界首条千公里级量子保密通信“京沪干线”开通，并与“墨子号”成功对接，我国在世界上首次实现了洲际量子保密通信。2021年，国际顶级学术期刊《自然》杂志以“跨越4600公里的天地一体化量子通信网络”为题，报道了我国构建了世界上首个集成700多条地面光纤量子密钥分发 （QKD） 链路和两个卫星对地自由空间高速QKD链路的广域量子通信网络。《自然》杂志审稿人评价称，这是地球上最大、最先进的量子密钥分发网络，是量子通信“巨大的工程性成就”。而到今天，我国地面光纤量子保密通信网络总长已扩展至超1万公里。
如今，由国家发改委批复建设的国家广域量子保密通信网络1期已建成，地面光纤量子网总长扩展至1万公里；在安徽合肥，由中国电信携手国盾量子、中电信量子建成的规模最大、覆盖最广、应用最多的量子保密通信城域网——合肥量子城域网已投入使用，加上两颗闪耀在天际的量子星，中国的科学家们的梦想正一步步变为现实。
未来，我国将继续构建多纵多横的地面光纤量子保密通信网络，并依托不断进步的航空航天技术完善“量子星座”，从而构建能够覆盖全球的“天地一体”广域量子保密通信网络。这不仅将推动量子通信技术在政务、金融、能源等领域率先广泛应用，实现量子通信网络和经典通信网络的无缝衔接，还将为形成具有国际引领地位的战略性新兴产业和下一代国家信息安全生态系统奠定基础。
