「墨子號」量子衛星升空後將會展開哪些研究？以及可能會遇到哪些困難？

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量子衛星的科學目標是開展星地高速量子密鑰分發實驗，並在此基礎上進行廣域量子密鑰網路實驗，以期在空間量子通信實用化方面取得重大突破；在空間尺度進行量子糾纏分發和量子隱形傳態實驗，開展空間尺度量子力學完備性檢驗的實驗研究。

量子衛星將主要開展星地高速量子密鑰分發實驗、廣域量子通信網路實驗、星地量子糾纏分發實驗、地星量子隱形傳態實驗共4項科學實驗。其中，星地高速量子密鑰分發實驗就像從衛星向地面分發鑰匙，實現衛星與地面之間以量子密鑰為核心的保密通信試驗。當量子密鑰產生後，通信雙方即可進行保密通信，這個過程從原理上已經證明是絕對不可竊聽、無法破譯的，因此整個通信過程是無條件安全的。

廣域量子通信網路實驗則將在兩個光學地面站間，通過衛星中轉的方式組建真正意義的廣域量子通信網路。「比如當衛星飛過北京上空時，通過星地量子密鑰分發過程，在北京和衛星間建立密鑰；同理，當衛星飛過烏魯木齊上空時，通過星地量子密鑰分發過程，在烏魯木齊和衛星間建立密鑰。這樣，北京和烏魯木齊之間就能建立絕對安全的量子密鑰。」潘建偉舉例，用這種方式就能夠將兩個分隔遙遠的地面光纖量子通信網路相互聯通，真正實現廣域覆蓋量子通信網路。

這些量子科學實驗非常複雜，難度極大，是「針尖對麥芒」的挑戰。這些實驗能夠產生經過編碼的，甚至是糾纏的光量子並發射到地面上，與之對接的地面系統則負責「接收光量子」，這種光量子的發射與接收被稱為「針尖對麥芒」。

關於地面系統，可以參閱「墨子號」數據收到啦！ - 中科院之聲的文章 - 知乎專欄

眾所周知，量子通信的賣點是絕對安全性，既然量子衛星是通過激光發射單光子傳輸量子密鑰（目前國內的量子通信技術只是利用量子的不可克隆性原理來實現量子密鑰分發傳輸過程中的安全性，還達不到真正意義上的利用量子糾纏的隱形態通信，國外的研究一般是跳過了不可克隆這一步），任何對單光子傳輸的干擾都可能影響密鑰的誤碼率，天氣環境因素複雜、不可控，試驗後期即使地面站能精確接收光子，如何降低光衰損耗、如何避免人為的監聽干擾是我認為的困難之處，如果做不到這一點，即便是保證了通信安全，誤碼率極高的量子通信嚴重影響通信質量，導致用戶體驗差，現階段的量子通信就失去意義了。
現階段的量子通信弊端太多，打個比方，你辛辛苦苦研究了一輩子如何用量子不可克隆性為通信加密，人家一個小干擾，你的加密手段就不能用了。
所以量子衛星的發射成功只能說是階段性的成功，並不代表真正意義上的量子通信，要實現這個目標，在現階段的基礎上還有更長的路要走。

謝邀～
實驗方面是量子密鑰分發，量子隱形傳態和量子糾纏方面的實驗研究。
實驗難度在於：1. 遠距離弱光的發送和接收比較困難，比如涉及空間濾波，跟瞄等；2. 量子實驗的光學系統穩定性能否應對衛星上的加速度，振動等；3. 糾纏在空間尺度上是否能夠維持。
當然想了解具體細節，潘院士的組應該有人也在知乎上吧，可以期待他們的回答

@芝士喵謝邀，然而我不是量子信息這個專業的，不敢亂說話啊。

如果我能找到相關專業的人的話，我會邀請他的。

謝邀請。
先簡單補充下背景，為什麼需要量子衛星上天。

我們知道，量子通信加密主要基於光子的量子糾纏。單光子不可分割性和量子態不可複製性可以保證量子通信的絕對安全。潘建偉老師之前已經成功在合肥北京等地建好了城域之間的量子通信網路，並用於國防，政務等通信安全。
然而，目前已經建好的通信網路都是通過光纖輸運光子，光纖對光子的固有損耗就限制了量子通信的距離只能在百公里級。如果想進一步實現遠距離的量子通信，就需要量子衛星了。將光子發射到太空中通過衛星中轉，光子只需要穿過10公里厚的大氣層，損耗很小，就可能實現全球化的量子通信網路。

這次墨子號上天的主要任務基本就是圍繞此展開。一個偏應用一點，即上面提到的在地面和衛星之間進行量子密鑰分發實驗，嘗試將一對糾纏的光子發送到北京站和維也納站，並用於產生量子密鑰，以此進一步嘗試在地面衛星尺度下建立量子通信網路。二是更為基礎一點的驗證，也就是驗證在地面到衛星的大距離尺度下量子糾纏是否還能維持，在空間距離下驗證貝爾不等式是否成立。

可能存在的困難與挑戰，依我淺見，一個是對準的問題，衛星的激光器需要與兩個地面站的望遠鏡精確對準，同時向兩邊傳輸量子密鑰。考慮到衛星與地面站的相對距離和速度，這是很大的一個挑戰。其次是陽光和月光背景的干擾。白天強烈的背景日光會造成強烈的干擾，因此目前衛星只能在夜間工作，但存在的月光星光可能也會對實驗有一定的干擾。

謝邀。我是作為一個量子力學愛好者回答這個問題的。目前墨子號最主要的任務就是研發測試基於光子之間的量子糾纏的量子通訊（這裡包括了兩個技術任務，即量子通訊傳輸測試和以量子計算機為終端的星地組網測試）。量子通訊的特點是安全性和即時性。目前經過大量實驗設計，安全性的利用已經趨於成熟，倒是即時性的利用（超光速傳輸信息）存在理論以及技術上的難處。即時性意味著可以讓信息從未來傳遞到過去，但是問題在於一旦我們觀察了糾纏的量子（也就是提取了信息），那麼糾纏態就被破壞了，而我們沒有辦法即時重新建立糾纏態，也就是依然沒有辦法超光速傳遞信息。因此愛因斯坦提出的規則——任何信息傳遞的速度都無法超過光速，仍然成立。（不過在一定條件下超時空傳遞信息倒是有可能成功，現在有一個科學家團體在研究光子量子糾纏的超時空通訊，只不過能穿越的時間可能連以秒為單位小數點後12位都沒有。。。）所以我們主要是利用其安全性。量子通訊的安全性目前的設計是一言不合就騙你——沒錯，如果匹配的密匙不對那麼只會得到錯誤的信息而真正的接收者會知道有人試圖破解（當然沒有正確的密匙就沒有可能破解），而依據量子糾纏的特性，無論你的密匙對不對，反正觀察一次就會破壞糾纏態，閱後即焚，簡直不能再安全。這也就意味著我們的量子通訊是真的沒有辦法被監聽了╮(￣▽￣)╭還剩下一個科學任務就是在空間尺度檢驗量子理論。嘛如果出現什麼謬誤的地方歡迎指正~

謝邀
昨晚睡的比較早，今天早上起來看到鋪天蓋地的量子衛星的新聞，激動不已，朋友圈更是炸了,畢竟這是目前整個國內量子圈最大的新聞。
首先聲明，我是做量子信息理論的，對實驗方向所知甚少，如有說錯的地方請大家指正。
個人覺得，第一顆量子衛星據報道它自身是帶著糾纏對發器的，從目前來看，近期這顆衛星的作用有可能能驗證超遠距離的量子糾纏的存在性，檢驗Bell不等式，這肯定是PRL級別等級的文章。從長遠的來看，中國還是會繼續發射量子衛星的，從而構建一個量子信息網路，量子信息網路大家應該都有所了解，量子加密技術非常實用，任何一點微擾竊聽都會被發現，所以基本是完全加密的。
知乎能人眾多，肯定有潘建偉老師組裡的同學，他們的回答會更專業。

謝謝。量子通信技術會先用于軍事，再到商業化。超距通信和保密性測試是重點。對於將來的宇宙飛船星際探索有重要作用。人類必將走出地球，拓展宇宙空間，獲取更多資源。走向宇宙，需要解決兩個問題：動力和通信。石墨烯的發展有助於解決動力問題，而量子通信是真空中最好的通信手段。

由於我的好朋友想去搞量子通信，我幫他諮詢過許目前通信界的大牛，差不多不下十位IEEE Fellow，我也問過老闆，為什麼不搞量子通信。我不得不說據我所知目前傳統通信界的新生代的大牛們目前對於量子通信還處於觀望狀態～且並不是特別看好量子通信的發展～除保密性外量子通信在很多領域取得突破、變民用、降低成本難度似乎偏高～所以似乎許多大牛們搞通信似乎還是想求穩妥立足於傳統通信領域搞一搞全雙工技術啊、自適應頻譜啊（人工智慧應用於通信領域）、用新型數字表徵方法來表示通信系統、無線通信領域的拓展啊等等～搞量子通信除非真心喜歡且跟的團隊牛逼～不然慎重上船～～～

首先瀉藥
我毛都不懂只是一個單純的愛好者常看大設計之類的大眾（笑）科普書只能胡謅幾句
幹什麼的不懂紐西蘭曾經鋪過量子傳輸的系統但是由於這玩意不給勁的問題一般都上的是光纖穩到是穩可是損耗太噁心紐西蘭畢竟就那麼點大浪費了就浪費了沒問題在大氣中搞到是不怕損耗但是各種光搗亂還有大氣紊流（密度啊折射啊我就不用解釋了吧）不過中科院的大佬們還是作了這個死
希望大佬們成功啊
最後說句廢話在物理和經濟中選了後者真是一個痛苦的決定啊

僅僅是一個發射量子的試驗裝置，離應用早著了。。。不過用算盤去破解密碼的手段可是夠科幻的

懶得打字，言簡意賅了些，具體可1對1。
量子通信基於量子糾纏，但即便糾纏的兩個量子交流的速度超光速，但因不確定性，我們無法用它傳遞信息,因為傳i弟信息要測量量子的狀態，但測量這個行為會破壞糾纏態。
這是量子物理最令人困惑的一點：當你知道知道系統完整狀態並對系統的其餘部分進行測量時，可以通過糾纏獲取系統某一個部分的信息，但是不能從糾纏系統的某個部分創建並發送信息到另一部分。

謝謝邀請，個人感覺國家這次衛星發射主要還是為了驗證量子通信的可行性，可靠性等相關部分的研究。
容我腦洞一下，大劉的球形閃電裡面人們用球形閃電（設定上小說里的球形閃電是一種特異的量子空間結構，又稱巨型電子）大炮間接驗證出觀察者（外星人）的存在。。。這次發射的衛星是不是也會有這種可能呢( ? ?ω?? )?

@芝士喵然而我才高中啊。不敢亂說。

我對墨子號升空可以做什麼的了解僅限於網路上和媒體的報道。我是搞壓縮糾纏，這些非經典光場出身的人，對於媒體宣傳的量子通信神乎其神，真不敢認同。說到底不管是什麼手段的通信方式，都是基於現實的物理規律。而量子光學領域的很多奇異現象我個人認為是現有科學理論的局限性導致的一些本質的東西沒有搞的清清楚楚，所以會有人說真真懂得量子力學的人可能沒有。這就像古代人類由於知識和認識自然的局限所創造的神話一樣，我們如今隨走出了神話的範疇，卻走進了科學的牢籠。人類要認識世界的本質還有很長的路要走。好像扯得遠了。說回來遇到的困難就是技術上的，都可以克服。根基理論上的困難不會在這個階段遇見。

謝邀
主要用於量子隱形傳態通信的研究，面臨的問題當然是穩定性，能否全天候通信之類，這方面不是很了解。

瀉藥……
量子衛星的用途一般信息攜帶者光量子短距離傳播在光纖內可完成，超過一定距離則會失去信號，但光子在大氣層中卻可以傳遞很遠這就需要衛星來協助了。量子衛星還可作為地面多個實驗站中介，之後其他量子衛星加入並肩作戰，就能實現全球化廣域量子通信網路

量子衛星的好處那就是絕對安全量子不可複製不可分割。量子通信下會先把保險箱傳送給對方，然後再用量子態傳遞安全保密的鑰匙

至於

附錄潘院士原話衛星的飛行速度太快，繞地球一圈只需90分鐘。它還會遇到紊流等各種問題。所以單光子束會受到很大影響。另外我們還需要克服來自太陽、月亮的背景雜訊，以及來自地面城市的光雜訊。這些都比我們的單光子要強烈得多。

我不懂，有沒有專家或者學者出來解釋下，這顆衛星的用處和作用？

推薦一本書

@芝士喵謝邀，我比較年輕所以就大膽說了，因為我沒看過具體的文獻，也不清楚他拿什麼作為糾纏的粒子，不過值得考究的是，在一般的通信衛星中為了防止宇宙射線造成的比特反轉，處理器功能多較低下，我倒是想啊，如何排除宇宙射線對糾纏的干擾，因為如果宇宙射線粒子還有與糾纏粒子一樣的所有內稟屬性（就是一種粒子），如果透射入內部的話，實際上也會有可能構成糾纏態，最初的雙光子糾纏實驗就是利用在反射鏡處的波函數重疊做的，這點值得考究。

墨子號主要還是進行衛星與地面的量子通信實驗，後面還將陸續發射多顆量子衛星，建成全球化的廣域量子保密通信網路。潘建偉院士一直在做這方面的實驗，畢竟是全球首顆量子衛星，沒有任何參考，
困難的話主要還是量子的探測精度吧。衛星和地面站之間，要做到最高精度的瞄準，和最靈敏的探測。光量子非常小，它是光的最小單位，必須有極為靈敏的探測器，探測、分辨和收發一個個的光子；同時它又非常多，「墨子號」衛星每秒能分發1億光子；它們還形成不同的量子編碼，不僅要收到光子，還要完美檢測每個光子的偏振狀態，檢測其正負、垂直、水平等各種狀態。而且太空環境對高能粒子的破壞性也比較強，如何保證通信效率也是關鍵。

更多的是驗證轉化量子通信技術