目前，國際上還沒有一個國家將量子科學實驗送入空間，量子衛星的研制沒有任何經驗可循，過程充滿了困難和挑戰。

科學家在量子衛星上搭載了自主研發的“四種武器”：量子密鑰通信機、量子糾纏發射機、量子糾纏源和量子試驗控制與處理機。

同時，在地面建設了科學應用係統，包括１個中心——合肥量子科學實驗中心；４個站——南山、德令哈、興隆、麗江量子通信地面站；１個平臺——阿裏量子隱形傳態實驗平臺。

衛星與地面站共同構成天地一體化量子科學實驗係統，在兩年的設計壽命期間將進行四大實驗任務——星地高速量子密鑰分發實驗、廣域量子通信網絡實驗、星地量子糾纏分發實驗、地星量子隱形傳態實驗。

潘建偉介紹，實驗大致分為三類：第一類是進行衛星和地面之間的量子密鑰分發，實現天地之間的安全通信，如果４個地面站任何兩兩之間都可以實現安全的通訊，即可實現組網；第二類相當于把量子實驗室搬到太空，在空間尺度檢驗量子理論；第三類是實現衛星和地面千公里量級的量子態隱形傳輸。

天地量子科學實驗非常復雜，對天地實驗設備的要求也異乎尋常的高。潘建偉坦言，衛星研制過程中，最困難的環節就是有效載荷，“攻克了許多技術難題才拿下”。

比如量子糾纏源，它只有機頂盒的大小，作用卻非常關鍵，它能夠産生糾纏光，這是量子衛星在空中做各種實驗的源頭。平時實驗室裏糾纏源的體積非常巨大，研究人員不僅把它做到了小型化，還通過一係列的創新讓它實現了滿足空間環境要求，在國際上是首次實現。

量子衛星對精準控制的要求也前所未有的高。量子衛星係統總師朱振才介紹，量子衛星飛行中，攜帶的兩個鐳射器要分別瞄準兩個相距上千公里的地面站，向左向右同時傳輸量子密鑰，且衛星上的光軸和地面望遠鏡的光軸要始終精確對準，就好比衛星上的“針尖”對地面上的“麥芒”。

科研團隊進行了各種實驗，考驗超遠距離“移動瞄靶”能力，最終突破了星地光路對準等關鍵技術，通過平臺和載荷兩級控制的方式，對準精度可以達到普通衛星的１０倍。

“鐳射器一站對一站有人做過，但一顆衛星對準兩個地面站國際上還從來沒有過。如果成功的話，在國際上也是首次實現這麼高精度的跟蹤和地面站配合。”中科院國家空間科學中心主任吳季説。

此刻，量子衛星已在太空軌道上翱翔。而它最初的構想，始于十幾年前。

２００１年，３１歲的潘建偉從歐洲回國，在中科大組建了量子資訊實驗室。２００３年，當大多數人仍致力于在實驗室內部的原理性演示時，潘建偉和同事們已經萌生了“天地一體化”量子通信網的初步構想，“量子科學實驗衛星”正是這個構想中的關鍵節點。

“工欲善其事，必先利其器”。圍繞這一遠景目標，潘建偉團隊開始了十余年的技術積累。他帶領團隊在自由空間量子密鑰分發、量子糾纏分發和量子隱形傳態實驗等方面不斷取得國際領先的突破性成果。

２００５年，潘建偉團隊在世界上第一次實現１３公里自由空間量子通信實驗，證實光子穿透大氣層後，其量子態能夠有效保持，從而驗證了星地量子通信的可行性。

隨後，他們又不斷創造“傳奇”：１６公里自由空間量子隱形傳態、百公里級自由空間量子通信、星地量子通信的全方位地面驗證實驗……為星地量子通信打下了堅實基礎。

經過十多年的發展，中國在量子通信領域已成為名副其實的世界勁旅。而這十多年間，從構想、攻關、立項到突破，人類歷史上第一顆量子通信衛星終成現實。

潘建偉説，“墨子號”發射以後，如果效果達到預期，下一步還計劃發射“墨子二號”“墨子三號”。“單顆低軌衛星無法覆蓋全球，同時由于強烈的太陽光背景，目前的星地量子通信只能在夜間進行。要實現高效的全球化量子通信，還需要形成一個衛星網絡。”

未來，一個由幾十顆量子衛星組成的“璀璨星群”，將與地面量子通信幹線“攜手”，支撐起“天地一體”的量子通信網。

到２０３０年左右，中國力爭率先建成全球化的廣域量子保密通信網絡。在此基礎上，構建資訊充分安全的“量子互聯網”，形成完整的量子通信産業鏈和下一代國家主權信息安全生態係統。

“安全的通信是屬于我們的，但是科學研究是面向全世界開放的。”潘建偉透露，第一個開放的項目是與奧地利科學院合作，實現北京和維也納之間的洲際量子保密通訊，之後將和更多國家合作開展量子信息技術方面的研究。

繼量子衛星之後，潘建偉團隊還計劃開展空間站“量子調控與光傳輸研究”項目，研究星間量子通信技術等，同時進行量子密鑰組網應用等研究，為下一步衛星組網奠定技術基礎。

“隨著中國科技的迅猛發展，我相信量子通信將在１０年左右時間輻射千家萬戶。期盼在我有生之年，能親眼目睹以量子計算為終端、以量子通信為安全保障的量子互聯網的誕生。”潘建偉説，“我相信中國科學家們做得到。”