上世纪八十年代以来，量子信息科学迅速成为近年来物理学和信息科学领域最活跃的研究前沿之一。
利用量子调控技术，能够用一种革命性的方式对信息进行编码、存储、传输和操纵，在增大信息传输容量、提高运算速度、确保信息安全等方面突破经典信息技术的瓶颈。
因此，量子信息科学拓宽和深化了量子理论在改变人类生活和社会面貌方面的应用，成为未来信息技术的战略性发展方向，并很有可能会推动整个信息产业的技术革命。
最先走向实用化的量子信息技术是量子通信。当前，利用卫星平台的自由空间光子传输，被公认为是最切实可行的克服光子易被光纤信道吸收的弱点、实现广域乃至全球量子通信的技术途径。因此，其也成为目前量子信息科学领域最重要的课题之一。
双重“呼唤”
在过去几年中，欧洲、美国和中国均在构建广域量子通信网络体系方面进行了战略性部署，投入了大量的科研资源和开发力量，进行关键技术攻关和工程化探索，力争在激烈的国际竞争中占据先机。
在此深化发展阶段和国际竞争激烈的背景下，为了使我国在量子通信技术激烈的国际竞争中抢占主动权，为未来全面实现量子通信技术的实用化奠定坚实的科学技术基础，近年来，我国不断加大对量子通信研究支持的力度，并在各相关研究方向上取得了很好的理论、实验技术、人才储备，开展了一系列优秀的理论和实验研究工作，在实现广域量子通信所需的各个关键环节上均取得了重要的突破，在发展进程上形成了与欧美先进国家比肩的局面，甚至在某些方面已经处于国际领先地位。
具体来说，我国在局域量子通信网络技术实用化及工程化预研、基于光与冷原子的量子纠缠操纵，以及量子信息处理方面处于国际领先水平，并且启动了多项前瞻性预研重大项目，自由空间光子传输和星地量子通信的若干关键技术难点也已被陆续攻克。
但需要看到的是，到目前为止，一方面，人类所进行的大部分对量子力学原理的检验实验仍停留在较小尺度的实验室范围，在更大尺度的范围中检验量子理论的正确性和量子理论预示的各种奇异现象的真实性，成为未来研究的大势所趋。
另一方面，虽然当下短距离的量子保密通信技术发展已经相对成熟，采用光纤量子通信系统能够在同一城市中各关键部门构建绝对安全的量子通信网络；但是短距离的量子保密通信显然无法满足实际应用需求，只有基于空间平台实现星地量子密钥分配，才能将多个地面光纤量子通信网络相互连接，真正实现广域的量子通信网络，从而增强我国通信体系的信息战能力，满足国防信息现代化的重大战略需求。
此外，开展星地空间大尺度量子通信研究还有助于人们在更深层次上认识量子物理的基础科学问题，如量子纠缠、Bell不等式、量子非定域性和量子隐形传态等等，这将极大地拓宽量子力学的研究方向，对于物理学乃至整个科学的发展都有着至关重要的意义。
这些来自科学和应用双方面的需求，与量子科学实验卫星项目立项伊始制定的科学目标不谋而合：进行星地高速量子密钥分发实验，并在此基础上进行广域量子密钥网络实验，以期在空间量子通信实用化方面取得重大突破；在空间尺度进行量子纠缠分发和量子隐形传态实验，开展空间尺度量子力学完备性检验的实验研究。
量子科学实验卫星将借助于卫星平台，一方面寻求量子理论在信息学和通信学方面最新成果在宏观大尺度上的应用，使量子信息技术的应用突破距离的限制，向更深的层次发展，促进广域乃至全球范围量子通信的最终实现；另一方面将在宏观大尺度上对量子理论本身展开实验检验，在更深层次上为认识量子物理的基础科学问题、拓宽量子力学的研究方向做出重要贡献，促进整个物理学的发展。
围绕实现上述重大科学目标，量子科学实验卫星将系统性地对量子科学实验、航天卫星平台、星上有效载荷和地面科学终端进行研究，开展卫星平台和有效载荷的关键技术攻关、方案研究与原理模样研制、初样研制和正样研制。
四大实验
为实现科学目标，需借助于卫星平台，在广域范围开展量子密钥分发、广域量子密钥网络、量子纠缠分发和量子隐形传态四项重要的科学实验。
1.星地高速量子密钥分发实验
星地高速量子密钥分发实验的目的是在高精度捕获、跟踪、瞄准系统的辅助下，在实现地面与卫星之间建立超远距离的量子信道的基础上，进行卫星与地面之间、基于诱骗态和基于纠缠的量子密钥生成和分发，实现卫星与地面之间以量子密钥为核心的绝对安全的保密通信试验，从而为建立全球范围的量子通信网络打下技术基础。具体实验方案为：
发射端按照诱骗态方案，随机偏振编码单光子信号，接收端随机选择两组偏振基矢进行测量，并记下所测的结果和所选的基矢；当传送了足够数量的光子比特之后，接收端和发射端在经典通道上讨论测量时用的是哪组基，将基矢选择不同的结果全部扔掉；接收端将测量结果取一部分出来在经典信道公布出来供发射端校验。
如果这个校验序列的出错率在正常范围内，那就说明整个序列是安全的，并不存在窃听，这时双方即可将保留的与偏振态对应的随机比特序列作为初始码，初始码经过隐私放大等提纯过程得到绝对安全的最终码。此时接收端和发射端之间就共享了一串绝对安全的随机数序列（密钥）。
量子密钥产生后，通信双方即可进行保密通信。发送方采用生成的密钥Key，将要发送给接收方的明文通过某种加密规则变换成密文，然后经由公开的经典信息通道传送给接收方，接收方采用密钥Key'通过适当的解密规则将密文变换成为明文。由于加密所用的量子密钥从原理上已经证明是绝对无法破译的，而密钥的生成过程也是绝对安全的，因此整个通信过程就是安全的不可被窃听的。
2.广域量子通信网络实验
近年来，随着光纤量子通信网络技术的发展，通过星地量子密钥分发过程组建真正的广域量子通信网络已经成为可能。这一实验将在实现高速星地量子密钥分发的基础上，与两个光学地面站及其附属的两个局域光纤量子通信网络相结合，通过卫星中转的方式组建真正意义的广域量子通信网络。
具体实验方案为：在地面建立两个光纤量子通信网络，并通过光纤与其相邻的固定光学地面站联通。
当卫星飞过光学地面站1上空时，通过星地量子密钥分发过程，在地面站1和卫星间建立密钥K1；同理，当卫星飞过光学地面站2上空时，通过星地量子密钥分发过程，在地面站2和卫星间建立量子密钥K2。
卫星通过经典信道将K1和K2的异或结果公开发布，地面站1和2根据结果就能够在两者之间建立绝对安全的量子密钥。通过这样的方式就能够将两个分隔遥远的地面光纤网络相互联通，真正实现广域覆盖量子通信网络。
3.星地量子纠缠分发实验
卫星上的量子纠缠光源同时向两个地面站分发纠缠光子，在完成量子纠缠分发后，对纠缠光子同时进行独立的量子测量。通过对千公里量级量子纠缠态的观测，开展空间尺度量子力学完备性检验的实验研究。
完成星地量子纠缠分发有两种主要的实验方案：第一种方案是量子信源产生一对偏振纠缠光子，一个光子在本地测量，另一个通过发射装置传送给接收端，分别用不同的角度的基矢对信号光进行相互独立的测量，并记录测量结果。将测量结果代入Bell不等式，检验在这种情况下Bell不等式是否破缺，从而给出量子力学完备性的证明。
第二种方案是将量子纠缠光源放置于空间平台上，同时向两个地面站进行分发，在完成量子纠缠分发后，对纠缠光子同时进行独立的Bell态测量，检验Bell不等式的破缺情况。对于两种方案，第二种方案能够实现在真正空间大尺度类空间隔的条件下进行Bell不等式破缺检验，具有重大的科学意义。
然而，由于需要从空间平台向地面发射纠缠光子对，纠缠光源需要放置在空间平台上，这就对纠缠光源的亮度和稳定性提出了严格的要求。同时，由于双向分发，对于降低信道衰减以及空间平台ATP系统跟瞄精度也提出了更高的要求，这也将导致对空间平台提出了更多系统资源的要求。
4.地星量子隐形传态实验
量子隐性传态是一种全新的通信方式，是量子网络与量子计算的基本过程。地星量子隐形传态实验将在量子存储的帮助下，探索卫星与地面之间远距离的真正意义及量子隐形传态的可行性，研究争取在类空间条件下完成量子力学非定域性的实验检验。具体实验方案如下：
地面量子信源产生一对纠缠光子，其中一个通过地面发射端传送给空间量子通信平台，另一个放入量子存储器中存储起来。空间量子通信平台将接收到的光子态和未知量子态进行联合Bell态测量，同时将测量结果通过经典信道传送给地面站。
地面站将另一个纠缠光子从量子存储器中读取出来，并根据空间量子通信平台的测量结果进行相应的幺正变换，从而得到空间量子通信平台的未知量子态。通过这样的未知量子态隐形传递过程，可以验证量子力学的非定域性。
意义非凡
面向既定科学目标，完成量子密钥分发、广域量子密钥网络、量子纠缠分发和量子隐形传态四项科学实验，不但具有显著的科学意义，有助于产生新的科学机遇，开拓新的科学前沿；更具备实用的现实作用，将对国家信息安全的切实保障具有关键的意义。
在科学层面，量子科学实验卫星将使我国在国际上首次实现星地量子通信，将通过卫星平台的中转实现地球上相距遥远的两个区域之间的量子通信，真正体现量子通信可向广域范围发展的可能性，并将快速推进广域量子通信的实用化率先在我国得以实现，使我国在激烈的国际竞争中抢占主动权，在量子通信技术实用化和产业化整体水平上保持和扩大国际领先的地位，实现国家信息安全和信息技术水平的跨越式提升。
它还将使我国在国际上首次实现具有空间大尺度的量子纠缠分发和量子隐形传态，在国际上率先开展一系列空间尺度的量子力学基础检验实验，取得一系列具有国际显示度的科学成果和突破，大大推进人类对大尺度范围量子力学规律的认识，带动我国量子物理整体水平的大幅度提升。
量子科学实验卫星更为广域量子通信各种关键技术和器件的持续创新以及工程化问题提供一流的测试和应用平台：将促进空间光跟瞄、空间微弱光探测、空地高精度时间同步、小卫星平台高精度姿态机动、高速单光子探测等技术的发展，形成自主的核心知识产权；在卫星平台上所进行的大尺度量子力学检验实验也将有可能产生重大的物理学发现，深化人类对量子物理本质的认识；能整合我国在量子通信技术各方面研究力量和技术优势，形成量子物理学、光学、原子和分子物理学、固体物理学、电子学、空间科学、材料科学、工程学等各学科之间的密切交叉、协调配合和攻关合力，形成各方面成果的快速集成，带动广域量子通信相关各方面整体发展。
在实用化方面，基于卫星平台的自由空间量子通信各关键技术的攻克和星地量子通信的实现，是量子通信技术走向广域乃至全球范围实用化进程中必须经历的重要步骤和一个重要的里程碑，对于国家在量子通信技术领域占领制高点和国家信息安全的切实保障具有关键的意义，将为我国量子通信产业标准的制定和参与国际标准的制定提供技术支撑、打下坚实的基础。
实用化广域量子通信技术的实现和成熟也将带动我国光器件、电子、通信、密码、网络设备、软件等一系列完整的相关产业链的高速发展，开创多种全新的安全通信应用，催生出全新的应用领域，拉动我国相关领域的科研内需和生产力。■