原文發表于《科技導報》2025年第5期《“墨子號”量子科學實驗衛星的工程創新與技術突破》

“墨子號”項目是一種新型舉國體制下的大科學工程模式，科學家和工程師聯合團隊圍繞科學目標，通過網絡式大協作實現了其技術攻關創新。《科技導報》邀請中國科學技術大學人文與社會科學學院朱燕南、王安軼基于“墨子號”的研發資料，對其立項、研制及技術突破過程進行回顧，并總結了科學家深度參與所體現的工程思維、團隊緊密協作及指標融合的新特點。讓我們跟隨作者視角走進大科學裝置“墨子號”。

“墨子號”是中國自主研制的全球首顆量子科學實驗衛星，于2011年12月14日工程立項，2016年8月16日發射。“墨子號”科學實驗衛星項目（以下簡稱“墨子號”項目）最終實現了3大科學目標：星地高速量子密鑰分發、星地量子糾纏分發和地星量子隱形傳態，并取得了一系列重大科學成果。“墨子號”的研制不僅促進了量子通信技術工程化的創新和突破，還通過洲際量子密鑰分發等拓展實驗，推動了2022年諾貝爾物理學獎對量子信息領域的認可。“墨子號”項目的成功使中國在量子通信領域實現了由“跟隨者”向“領跑者”身份的轉換，標志著中國在該領域的崛起。2023年11月，中高軌道量子科學衛星成功立項，中國量子空間科學即將進入多線程開展的時代，面臨新考驗，也迎來發展的新機遇，在此時間節點，對“墨子號”項目的工程創新歷史進行回顧和總結，對于中國量子空間科學具有重要的參考意義。

1 科學先行：“墨子號”項目的立項

誕生于20世紀80年代的量子信息學，是一門在量子物理學基礎上不斷突破人類對微觀世界規律認知與操控極限的實驗科學，其中，量子通信憑借其在信息傳輸安全性方面的優勢，被世界各國列為未來信息技術發展的重要領域之一。進入21世紀后，中國物理學界抓住發展機遇，在該領域取得了一系列國際領先成果。在此契機下，“墨子號”項目應運而生。

1.1 量子通信技術的發展與在中國的起步

20世紀90年代，量子密碼理論的誕生和初步試驗，以及量子隱形傳態實驗的成功使量子通信技術獲得了飛速發展。1989年，美國IBM公司實驗室實現了世界上第一個量子信息傳輸實驗。歐洲作為量子物理和量子信息學的發端地也不甘落后。中國在量子信息學領域起步稍晚，1998年6月中國科學技術大學（以下簡稱“中國科大”）主辦了第98次香山科學會議，以“量子通訊與量子計算”為主題。此次會議是中國量子信息學發展史上的一個重要的里程碑，增強了國內研究者發展量子信息學的決心和信心。2001年，郭光燦帶領的中國科學院量子信息重點實驗室依托中國科學技術大學成立，開展了對光纖量子密碼傳輸研究的嘗試。同年，潘建偉回到中國科大組建了國內首個量子調控實驗室，部分成員后續成為了“墨子號”項目的中堅力量。

1.2 衛星立項論證前的科學和技術準備

中國在自由空間量子通信領域的研究幾乎與國際同步。2002年，美國和英國研究組分別實現了10 km和20 km的量子密鑰分發（quantum key distribution，QKD）實驗，驗證了利用衛星進行QKD的可行性。而此時中國潘建偉量子團隊（以下簡稱“量子團隊”）也已在量子糾纏源技術方面獲得了一系列進展。

2003年，量子團隊開始進行外場實驗。2年后，團隊成功實現了13 km自由空間糾纏光子分發。2005年5月，在中國科學院和中國科大的支持下，量子團隊通過了載人航天科學實驗系統空地QKD的實驗論證。2007年，蔡林格（Anton Zeilinger）教授牽頭的多國科學家團隊與歐洲航天局合作，提出了以國際空間站為平臺的空間量子通信和大尺度量子力學檢驗實驗計劃（QUEST計劃）。2008年是量子衛星項目進展的關鍵年，這一年中國科學院撥款7500萬元，為量子衛星預研“空間尺度量子實驗關鍵技術與驗證”項目（以下簡稱“QUESS”項目）提供了經費保障，QUESS項目開展了空間尺度量子實驗關鍵技術的研究和實驗驗證。2008—2011年，聯合團隊主要完成了百公里級量子隱形傳態、量子糾纏分發和模擬衛星—地面之間的量子通信等關鍵性試驗，充分驗證了利用衛星實現量子通信的可行性。2011年1月25日，經歷8年的科學和技術籌備，量子科學實驗衛星正式立項（代號KX-02），成為中國科學院空間科學先導專項的首批4顆科學實驗衛星之一，2016年發射前被正式命名為“墨子號”。

2 工程統籌：圍繞科學目標的項目開展

2011年12月14日，中國科學院在北京召開會議，審議確定了大系統組織管理機制，由首席科學家和工程總師帶領，協調指揮6大系統，明確了工程研制建設的主要問題、工程的總體計劃安排（圖1）。會議還確定了衛星研制的工程大總體初步方案、主要技術指標、研制周期和進度安排以及預算等。

圖1 “墨子號”工程總體及6大系統

2.1 設立不同層級的科學目標

在“921”工程項目的基礎上，為提高衛星的國際科研競爭力，中國科大量子團隊設立了3個層級的科學目標：星地高速QKD、星地量子糾纏分發和地星隱形傳態（表1）。通過設立不同層級的科學目標，科研團隊的任務導向更加明確，衛星工程的實施緊密圍繞這些目標展開，各系統需嚴格遵循科學技術指標，并積極協同調整，以確保任務的順利完成。

表1 “墨子號”不同層級科學目標

2.2 以科學目標為最終追求的工程管理機制

“墨子號”項目采用了“首席科學家+工程兩總”的管理模式，首席科學家由潘建偉擔任，工程總設計師為徐博明，總指揮為陰和俊。首席科學家負責科學目標的實現，主要職責包括：負責提出和策劃整個專項的發展戰略規劃、科研方向和目標、研究任務分解方案；統籌安排各項目之間的協同創新；批準專項主要研究人員的聘用；提交年度報告和接受評估及專項調節經費的調配使用。工程總設計師負責組織和實施量子通信衛星系統的工程化、領導和指揮關鍵技術攻關，組織編制系統總體管理規范，批準專項研制流程，提交年度報告和接受評估。總指揮是整個任務的領導核心，負責確保衛星規劃、發射、運行和維護的全過程順利進行。此外，該衛星項目特別設立了項目總體組，專門負責“天地一體化實驗”的總體規劃與實施。

2.3 科學家深度參與的工程創新模式

作為承載科學實驗的項目總體之一，“墨子號”衛星的科學應用系統由中國科大牽頭，量子團隊承擔了大部分研制任務（表2）。另一重要的科學目標承載總體——衛星有效載荷系統由中國科學院上海技術物理研究所（以下簡稱“技物所”）牽頭，聯合團隊承擔研制。在載荷系統中，ATP（自動跟蹤指向）與光機熱系統、密鑰生成與量子分發系統以及量子密鑰接收系統這3個關鍵分系統，由于需要實現地面與衛星載荷之間的緊密聯動，因此它們的研制與搭建工作均由專門團隊負責執行（圖2）。

表2 “墨子號”科學應用系統職務任命

圖2 “墨子號”衛星系統及科學應用系統分解

聯合團隊需要將量子光學系統結合傳統光學工程，完成星地間高速、有效的QKD和糾纏分發等任務需要的技術指標。這項艱巨的研發任務由中國科大和技物所共同承擔（表3）。在研發過程中，科研團隊與工程團隊緊密協作、無縫對接，實現新技術的即時共享。這種高度協同的合作模式極大加速了科學目標的達成與技術難點的攻克，取得了顯著而高效的成果。

表3 “墨子號”有效載荷分系統職務任命

作為一顆對量子通信科技自主創新能力要求極高的科學衛星，“墨子號”無論在前期預研、衛星研發還是后期實驗中，首席科學家潘建偉領導的科學團隊都深度參與其中，尤其在關鍵技術攻關的過程中，以中國科大為主力的科學應用系統和有效載荷團隊都發揮了重要的作用。

3 技術支撐：科學目標和技術難點聯合攻關

立項后，聯合團隊的首要任務是對有效載荷（圖3）進行方案設計與關鍵技術突破，明確了需要攻克的3大核心挑戰：（1）研制高亮度小型化糾纏源；（2）建立低損耗的量子通信光鏈路；（3）進行偏振保持技術的自主研發。

圖3 “墨子號”有效載荷配置

3.1 糾纏光源的方案選擇和技術突破

量子糾纏源為糾纏光子對的產生裝置，是糾纏分發實驗的核心。量子糾纏源分系統由光機子系統和量子力學2個功能部分組成。中國科大承擔了有效載荷量子糾纏源的量子力學部分；技物所承擔了糾纏源光機部分。要將糾纏源送上太空，需要達到高亮度、小型化、穩定化的要求。糾纏源分系統團隊（以下簡稱“糾纏源團隊”）分別從Sagnac結構、離軸凹面反射鏡設計、固定方式和糾纏源亮度4方面進行研制。

Sagnac環是糾纏源最核心的模塊，是一個由下轉換晶體PPKTP、離軸凹面聚焦系統、雙波長極化分束器和雙波長半波片組成的10 cm三角形模塊（圖4）。

圖4 Sagnac環形干涉儀示意

糾纏源團隊設計了離軸凹反鏡共焦系統，將環外2個用于聚焦和共焦的透鏡轉化為反射鏡，反射鏡本身存在消色差的優勢，避免了透鏡對光的顏色的敏感度。糾纏源團隊還通過設計將透鏡結合到Sagnac環中，大大減少了系統設計的復雜度，提高了穩定性。

在加固設計方面，團隊采取了先將Sagnac環固定于殷鋼底板之上，隨后再將整體嵌入到光機部分的光學底板中的策略，成功提升了糾纏源器件的安裝精度和穩定精度。

在提高糾纏源亮度指標方面，糾纏源團隊從3方面著手：（1）通過調研和多次實驗，尋找到了性能優異的泵浦光；（2）在方案設計階段對PPKTP晶體的置入空間“留有余量”，在工程研發階段盡量延長了PPKTP晶體長度；（3）通過使用單模光纖收集模塊，保證了糾纏源和望遠鏡之間的光纖傳輸接收率大于40%。此外，還通過可調反射鏡PI，在衛星上天后進行“微調”，以避免微振動對耦合效率的影響。

3.2 量子通信光鏈路和保偏技術攻關

高精度量子通信光鏈路（以下簡稱“光鏈路”）是為了進行星地量子通信科學實驗，在衛星和地面間建立的高精度ATP系統。在衛星項目中，聯合團隊通過查閱文獻、自主設計實驗等方式，提出了衛星對站指向和載荷自主尋的相結合的一星兩站光鏈路建立的總體方案。采用了“凝視—凝視”的捕獲策略，實現了衛星與兩個地面站之間的快速捕獲對接。同時，聯合團隊依托STAR1000（CMOS）探測器，運用了一系列先進技術，不僅實現了超前瞄準功能，有效避免了較大誤差的產生，還通過星地聯合掃描的方式，對光軸殘差進行了精確修正。這項由國內自主研發的量子光跟瞄系統在國際上取得了領先地位，并獲得了多項相關技術專利。

此外，由于衛星和地面之間進行著高速且旋轉的復雜運動，聯合團隊需從技術層面保證糾纏源（quantum entanglement source，QES）產生的光子分別通過糾纏發射機（quantum entanglement transmitter，QET）和量子密鑰分發發射機（quantum key distribution transmitter，QKDT）后，仍然能從衛星向地面站發射相同偏振的光子。這個重要的技術問題要求糾纏源偏振好、路徑保偏好、地面旋轉對準精度高。

4 創新成果與社會意義

迄今為止，尚無任何其他國家能夠成功發射達到“墨子號”同等技術指標的量子科學實驗衛星，亦未能取得與其3大科學目標同等級的科研成果。“墨子號”項目的成功得益于以下3方面的工作。首先，作為科學家主導的大科學工程，其管理模式強調創新與效率并重，“首席科學家+工程兩總”的新型管理模式確保了科學團隊效能的最大化；其次，中國科學院各單位打破地域與學科壁壘，構建了新型網絡協同體系，確保項目能夠加速推進，攻關效果事半功倍；最后，聯合團隊在大科學組織模式下結合科學目標和技術難點進行攻關，培養了一批量子領域的科研工程交叉型人才，從而高質量地實現了糾纏源、量子通信光鏈路等核心技術的突破。

“墨子號”量子科學實驗衛星項目是中國科學家主導下實現科學與工程深度融合的成功典范。該項目開創性地采用了科學指標引領、技術創新與工程突破并重的研發模式，有效整合了全國量子信息領域的優勢研究資源。這一創新模式不僅實現了量子通信領域的重大科學突破，更使中國在國際量子信息技術競爭中占據了戰略制高點，為前沿科學研究與衛星工程技術的協同創新提供了成功范例。更重要的是，“墨子號”項目的實施為中國科研團隊在量子信息學科的持續探索奠定了堅實基礎，其成功經驗對量子計算、量子模擬、量子精密測量等量子信息學領域的科學研究和工程實踐具有深遠的指導意義，充分彰顯了重大科學工程對國家科技創新的引領作用。

本文作者：朱燕南、王安軼

作者簡介：朱燕南，中國科學技術大學人文與社會科學學院，博士研究生，研究方向為量子信息科技史；王安軼（通信作者），中國科學技術大學人文與社會科學學院，副教授，研究方向為中國近現代科技史、工程史等。

文章來源：朱燕南, 王安軼. “墨子號”量子科學實驗衛星的工程創新與技術突破[J]. 科技導報, 2025, 43(5): 89-97 .

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