原文发表于《科技导报》2025年第5期《“墨子号”量子科学实验卫星的工程创新与技术突破》
“墨子号”项目是一种新型制下的大科学工程模式，科学家和工程师联合团队围绕科学目标，利用互联网式大协作实现了其技术攻关创新。《科技导报》邀请中国科学技术大学人文与社会科学学院朱燕南、王安轶基于“墨子号”的研发资料，对其立项、研制及技术突破过程进行回顾，并总结了科学家深度参与所体现的工程思维、团队紧密协作及指标融合的新特点。让我们跟随作者视角走进大科学装置“墨子号”。
“墨子号”是中国自主研制的全球首颗量子科学实验卫星，于2011年12月14日工程立项，2016年8月16日发射。“墨子号”科学实验卫星项目（以下简称“墨子号”项目）最终实现了3大科学目标：星地高速量子密钥分发、星地量子纠缠分发和地星量子隐形传态，并取得了一系列重大科学成果。“墨子号”的研制不仅促进了量子通信技术工程化的创新和突破，还通过洲际量子密钥分发等拓展实验，推动了2022年诺贝尔物理学奖对量子信息领域的认可。“墨子号”项目的成功使中国在量子通信领域实现了由“跟随者”向“领跑者”身份的转换，标志着中国在该领域的崛起。2023年11月，中高轨道量子科学卫星成功立项，中国量子空间科学即将进入多线程开展的时代，面临新考验，也迎来发展的新机遇，在此时间节点，对“墨子号”项目的工程创新历史进行回顾和总结，对于中国量子空间科学具备极其重大的参考意义。
诞生于20世纪80年代的量子信息学，是一门在量子物理学基础上不断突破人类对微观世界规律认知与操控极限的实验科学，其中，量子通信凭借其在信息传输安全性方面的优势，被世界各国列为未来信息技术发展的重要领域之一。进入21世纪后，中国物理学界抓住发展机遇，在该领域取得了一系列国际领先成果。在此契机下，“墨子号”项目应运而生。
20世纪90年代，量子密码理论的诞生和初步试验，以及量子隐形传态实验的成功使量子通信技术获得了快速的提升。1989年，美国IBM公司实验室实现了世界上第一个量子信息传输实验。欧洲作为量子物理和量子信息学的发端地也不甘落后。中国在量子信息学领域起步稍晚，1998年6月中国科学技术大学（以下简称“中国科大”）主办了第98次香山科学会议，以“量子通讯与量子计算”为主题。此次会议是中国量子信息学发展史上的一个重要的里程碑，增强了国内研究者发展量子信息学的决心和信心。2001年，郭光灿带领的中国科学院量子信息重点实验室依托中国科学技术大学成立，开展了对光纤量子密码传输研究的尝试。同年，潘建伟回到中国科大组建了国内首个量子调控实验室，部分成员后续成为了“墨子号”项目的中坚力量。
中国在自由空间量子通信领域的研究几乎与国际同步。2002年，美国和英国研究组分别实现了10 km和20 km的量子密钥分发（quantum key distribution，QKD）实验，验证了利用卫星进行QKD的可行性。而此时中国潘建伟量子团队（以下简称“量子团队”）也已在量子纠缠源技术方面获得了一系列进展。
2003年，量子团队开始做外场实验。2年后，团队成功实现了13 km自由空间纠缠光子分发。2005年5月，在中国科学院和中国科大的支持下，量子团队通过了载人航天科学实验系统空地QKD的实验论证。2007年，蔡林格（Anton Zeilinger）教授牵头的多国科学家团队与欧洲航天局合作，提出了以国际空间站为平台的空间量子通信和大尺度量子力学检验实验计划（QUEST计划）。2008年是量子卫星项目进展的关键年，这一年中国科学院拨款7500万元，为量子卫星预研“空间尺度量子实验关键技术与验证”项目（以下简称“QUESS”项目）提供了经费保障，QUESS项目开展了空间尺度量子实验关键技术的研究和实验验证。2008—2011年，联合团队主要完成了百公里级量子隐形传态、量子纠缠分发和模拟卫星—地面之间的量子通信等关键性试验，充分验证了利用卫星实现量子通信的可行性。2011年1月25日，经历8年的科学和技术筹备，量子科学实验卫星正式立项（代号KX-02），成为中国科学院空间科学先导专项的首批4颗科学实验卫星之一，2016年发射前被正式命名为“墨子号”。
2011年12月14日，中国科学院在北京召开会议，审议确定了大系统组织管理机制，由首席科学家和工程总师带领，协调指挥6大系统，明确了工程研制建设的主体问题、工程的总体计划安排（图1）。会议还确定了卫星研制的工程大总体初步方案、主要技术指标、研制周期和进度安排以及预算等。
在“921”工程建设项目的基础上，为提高卫星的国际科研竞争力，中国科大量子团队设立了3个层级的科学目标：星地高速QKD、星地量子纠缠分发和地星隐形传态（表1）。通过设立不同层级的科学目标，科研团队的任务导向更加明确，卫星工程的实施紧密围绕这些目标展开，各系统需严格遵循科学技术指标，并积极协同调整，以确保任务的顺利完成。
“墨子号”项目采用了“首席科学家+工程两总”的管理模式，首席科学家由潘建伟担任，工程总设计师为徐博明，总指挥为阴和俊。首席科学家负责科学目标的实现，主要职责包括：负责提出和策划整个专项的发展的策略规划、科研方向和目标、研究任务分解方案；统筹安排各项目之间的协同创新；批准专项主要研究人员的聘用；提交年度报告和接受评估及专项调节经费的调配使用。工程总设计师负责组织和实施量子通信卫星系统的工程化、领导和指挥关键技术攻关，组织编制系统总体管理规范，批准专项研制流程，提交年度报告和接受评估。总指挥是整个任务的领导核心，负责确保卫星规划、发射、运行和维护的全过程顺顺利利地进行。此外，该卫星项目特别设立了项目总体组，专门负责“天地一体化实验”的总体规划与实施。
作为承载科学实验的项目总体之一，“墨子号”卫星的科学应用系统由中国科大牵头，量子团队承担了大部分研制任务（表2）。另一重要的科学目标承载总体——卫星有效载荷系统由中国科学院上海技术物理研究所（以下简称“技物所”）牵头，联合团队承担研制。在载荷系统中，ATP（自动跟踪指向）与光机热系统、密钥生成与量子分发系统和量子密钥接收系统这3个关键分系统，由于要实现地面与卫星载荷之间的紧密联动，因此它们的研制与搭建工作均由专门团队负责执行（图2）。
联合团队需要将量子光学系统结合传统光学工程，完成星地间高速、有效的QKD和纠缠分发等任务需要的技术指标。这项艰巨的研发任务由中国科大和技物所一同承担（表3）。在研发过程中，科研团队与工程团队紧密协作、无缝对接，实现新技术的即时共享。这种高度协同的合作模式极大加速了科学目标的达成与技术难点的攻克，取得了显著而高效的成果。
作为一颗对量子通信科技自主创造新兴事物的能力要求极高的科学卫星，“墨子号”无论在前期预研、卫星研发还是后期实验中，首席科学家潘建伟领导的科学团队都深度去参加了，尤其在关键技术攻关的过程中，以中国科大为主力的科学应用系统和有效载荷团队都发挥了重要的作用。
立项后，联合团队的第一个任务是对有效载荷（图3）进行方案设计与关键技术突破，明确了需要攻克的3大核心挑战：（1）研制高亮度小型化纠缠源；（2）建立低损耗的量子通信光链路；（3）进行偏振保持技术的自主研发。
量子纠缠源为纠缠光子对的产生装置，是纠缠分发实验的核心。量子纠缠源分系统由光机子系统和量子力学2个功能部分所组成。中国科大承担了有效载荷量子纠缠源的量子力学部分；技物所承担了纠缠源光机部分。要将纠缠源送上太空，要达到高亮度、小型化、稳定化的要求。纠缠源分系统团队（以下简称“纠缠源团队”）分别从Sagnac结构、离轴凹面反射镜设计、固定方式和纠缠源亮度4方面做研制。
Sagnac环是纠缠源最核心的模块，是一个由下转换晶体PPKTP、离轴凹面聚焦系统、双波长极化分束器和双波长半波片组成的10 cm三角形模块（图4）。
纠缠源团队设计了离轴凹反镜共焦系统，将环外2个用于聚焦和共焦的透镜转化为反射镜，反射镜本身存在消色差的优势，避免了透镜对光的颜色的敏感度。纠缠源团队还通过设计将透镜结合到Sagnac环中，大幅度减少了系统模块设计的复杂度，提高了稳定性。
在加固设计方面，团队采取了先将Sagnac环固定于殷钢底板之上，随后再将整体嵌入到光机部分的光学底板中的策略，成功提升了纠缠源器件的安装精度和稳定精度。
在提高纠缠源亮度指标方面，纠缠源团队从3方面着手：（1）通过调研和多次实验，寻找到了性能优异的泵浦光；（2）在方案设计阶段对PPKTP晶体的置入空间“留有余量”，在工程研发阶段尽量延长了PPKTP晶体长度；（3）利用单模光纤收集模块，保证了纠缠源和望远镜之间的光纤传输接收率大于40%。此外，还通过可调反射镜PI，在卫星上天后进行“微调”，以避免微振动对耦合效率的影响。
高精度量子通信光链路（以下简称“光链路”）是为了进行星地量子通信科学实验，在卫星和地面间建立的高精度ATP系统。在卫星项目中，联合团队通过查阅文献、自主设计实验等方式，提出了卫星对站指向和载荷自主寻的相结合的一星两站光链路建立的总体方案。采用了“凝视—凝视”的捕获策略，实现了卫星与两个地面站之间的快速捕获对接。同时，联合团队依托STAR1000（CMOS）探测器，运用了一系列先进的技术，不仅实现了超前瞄准功能，有很大成效避免了较大误差的产生，还通过星地联合扫描的方式，对光轴残差进行了精确修正。这项由国内自主研发的量子光跟瞄系统在国际上取得了领头羊，并获得了多项有关技术专利。
此外，由于卫星和地面之间进行着高速且旋转的复杂运动，联合团队需从技术层面保证纠缠源（quantum entanglement source，QES）产生的光子分别通过纠缠发射机（quantum entanglement transmitter，QET）和量子密钥分发发射机（quantum key distribution transmitter，QKDT）后，仍然能从卫星向地面站发射相同偏振的光子。这个重要的技术问题要求纠缠源偏振好、路径保偏好、地面旋转对准精度高。
迄今为止，尚无任何其他几个国家能够成功发射达到“墨子号”同等技术指标的量子科学实验卫星，亦未能取得与其3大科学目标同等级的科研成果。“墨子号”项目的成功得益于以下3方面的工作。首先，作为科学家主导的大科学工程，其管理模式强调创新与效率并重，“首席科学家+工程两总”的新型管理模式确保了科学团队效能的最大化；其次，中国科学院各单位打破地域与学科壁垒，构建了新型网络协同体系，确保项目能够加速推进，攻关效果事半功倍；最后，联合团队在大科学组织模式下结合科学目标和技术难点进行攻关，培养了一批量子领域的科研工程交叉型人才，从而高质量地实现了纠缠源、量子通信光链路等核心技术的突破。
“墨子号”量子科学实验卫星项目是中国科学家主导下实现科学与工程深层次地融合的成功典范。该项目开创性地采用了科学指标引领、技术创新与工程突破并重的研发模式，有效整合了全国量子信息领域的优势研究资源。这一创新模式不仅实现了量子通信领域的重大科学突破，更使中国在国际量子信息技术竞争中占据了战略制高点，为前沿科学研究与卫星工程技术的协同创新提供了成功范例。更重要的是，“墨子号”项目的实施为中国科研团队在量子信息学科的持续探索奠定了坚实基础，其成功经验对量子计算、量子模拟、量子精密测量等量子信息学领域的科学研究和工程实践具有深远的指导意义，充分彰显了重大科学工程对国家科学技术创新的引领作用。
作者简介：朱燕南，中国科学技术大学人文与社会科学学院，博士研究生，研究方向为量子信息科技史；王安轶（通信作者），中国科学技术大学人文与社会科学学院，副教授，研究方向为中国近现代科技史、工程史等。
文章来源：朱燕南, 王安轶. “墨子号”量子科学实验卫星的工程创新与技术突破[J]. 科技导报, 2025, 43(5): 89-97 .
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