由中国科学技术大学陆朝阳、曹原、彭承志和潘建伟*等研究人员撰写的综述文章《Micius量子实验在太空》，发表于《现代物理评论》（Reviews of Modern Physics）2022年7-9月刊。这篇综述全面回顾了基于“墨子号”卫星的空间量子科学实验的进展，系统阐述了通过卫星平台实现远距离量子通信与量子物理基础检验的理论依据、关键技术突破、实验成果以及未来展望。文章的主题是探讨如何利用卫星克服地面光纤和大气信道的损耗限制，构建全球规模的量子网络，并在此新平台上检验量子力学的基本原理。

论文的第一个主要观点是：空间量子通信是实现全球量子网络的可行且高效途径。传统的地面量子通信受限于信道的固有损耗。在光纤中，光子损耗主要由介质的吸收和散射引起，损耗随距离呈指数增长，这使得直接传输单光子进行量子密钥分发（Quantum Key Distribution, QKD）的安全距离被限制在几百公里以内。相比之下，卫星与地面之间的自由空间信道具有显著优势。大气对光子的损耗和湍流主要集中在地表以上约10公里的大气层内，而光子绝大部分的传输路径是在近乎真空的太空环境中，几乎没有吸收和退相干效应。光束衍射导致的损耗与距离的平方成正比。因此，对于数百至上千公里的通信距离，星-地自由空间信道在总损耗方面优于光纤信道。作者通过理论建模和参数分析（如几何衰减、大气湍流、指向误差、大气透射率等）量化了星地链路的损耗，论证了低地球轨道（Low-Earth-Orbit, LEO）卫星进行量子密钥分发、纠缠分发和量子隐形传态等任务的可行性。支持这一观点的证据包括对下行（卫星到地面）、上行（地面到卫星）及双下行链路损耗的详细估算表，以及将光纤与自由空间信道损耗随距离变化的对比模拟图，清晰地展示了超过约70公里后，星地链路的损耗优势。

论文的第二个主要观点是：系统性的地面可行性研究和关键技术攻关是“墨子号”卫星成功的基础。在耗资巨大的卫星项目启动前，研究团队进行了长达十余年的、循序渐进的地面验证工作。这些研究旨在回答几个核心问题：单光子和纠缠光子能否穿透有效大气厚度？在大衰减、强湍流和运动平台上能否进行量子光学实验？研究工作涵盖了多个方面：首先，验证了量子信号能穿透大气有效厚度，例如2005年在合肥实现了13公里自由空间的纠缠分发，证明了纠缠在超过大气有效厚度后依然存在。其次，模拟了星地链路的极端高损耗环境，例如在青海湖实现了超过100公里的自由空间纠缠分发，双链路总衰减达79.5 dB，超过了预估的卫星双下行链路损耗（约75 dB）；以及实现了97公里距离、损耗超过50 dB的诱骗态QKD实验，满足了单下行链路的损耗要求。第三，模拟了卫星的运动状态，使用转台和热气球模拟了低轨卫星的高速运动、振动、随机运动和姿态变化，并在这种动态环境下成功完成了QKD实验，验证了高带宽、高精度的捕获、对准和跟踪（Acquisition, Pointing, and Tracking, APT）系统的能力。此外，还发展了时间同步、偏振维持与补偿等关键技术。这些地面实验构成了一个完整的技术工具箱，为“墨子号”卫星项目的立项和最终成功奠定了坚实的基础。

论文的第三个主要观点是：“墨子号”卫星实验取得了三项里程碑式的成果，验证了空间量子通信的实用性和巨大潜力。卫星于2016年8月发射后，在一年内相继完成了三大科学目标：其一，实现了星地量子密钥分发。实验达成了距离达1200公里的星地诱骗态QKD，密钥传输速率达到千赫兹级别，并进一步实现了卫星中继的洲际量子密钥分发。其二，实现了星地量子纠缠分发。卫星将纠缠光子对分发到相距1205公里的两个地面站，并在此基础上完成了贝尔不等式检验，证明了即使跨越上千公里，量子纠缠依然存在。其三，实现了地星量子隐形传态。成功将地面制备的单光子量子态传送至卫星上的接收终端。这些实验表明，通过卫星进行量子通信的链路效率，比在同样距离下直接通过光纤传输高出12到20个数量级。文章详细介绍了每项实验的载荷设计、实验设置、数据结果（如密钥率、误码率、纠缠保真度、贝尔不等式S值等），有力地证明了基于卫星的量子通信方案在扩展距离和提升效率方面的卓越能力。

论文的第四个主要观点是：空间平台为量子力学的基础检验提供了前所未有的尺度和环境。除了量子通信的应用价值，利用卫星进行量子实验还具有深刻的科学意义。量子力学预言量子纠缠可以在任意距离上存在，但需要实验验证，并考察是否存在未知效应（如引力场的影响）会对其施加限制。卫星为基础的新空间实验室，为之前在地面无法企及的距离尺度上进行量子光学基础实验提供了平台，例如进行人类自由意志选择下的长距离贝尔测试，以及探索量子力学与广义相对论的相互作用。此外，空间中的微重力、超稳定条件使得许多地面无法进行的量子物理实验成为可能，例如利用冷原子系统进行高精度测量，挑战我们对广义相对论和量子力学的理解。文章列举了国际上的相关项目，如MAIUS-1火箭任务、国际空间站上的冷原子实验室（Cold Atom Lab）、空间原子重力探测器（SAGE）提案等，说明了空间量子科学是一个蓬勃发展的国际前沿领域。

论文的第五个主要观点是：未来需克服多项挑战以构建实用的全球化量子网络，并展望了空间量子科学的前沿方向。尽管“墨子号”取得了成功，但要构建实用的全球量子网络仍面临挑战。未来的工作重点包括：实现白天量子通信（“墨子号”实验主要在夜间进行以抑制背景光噪声），通过使用更高轨道的卫星或卫星星座来增加时间覆盖和区域覆盖，以及构建天地一体化的量子网络。文章还展望了利用卫星星座构建量子互联网、在空间尺度上进行量子物理基础检验（如探测引力诱导退相干）等更宏伟的蓝图。同时，国际上如加拿大的QEYSSAT项目、CQuCoM立方星任务等也预示着围绕空间量子通信的国际竞赛已经开始。

这篇综述文章的意义和价值在于，它首次对基于“墨子号”卫星的空间量子科学实验进行了全面、系统、深入的总结。它不仅是一份详细的技术和实验报告，更是一份从概念提出、理论分析、地面验证、工程实现到科学成果的完整发展路线图。文章清晰地展示了如何将高度复杂和脆弱的量子光学实验从受控的实验室环境成功迁移到严酷的太空环境，并取得突破性成果。其价值体现在：在应用层面，为解决全球范围的安全通信提供了切实可行的“卫星方案”，推动了量子通信技术从实验室走向实用化的进程；在科学层面，开启了在太空极端环境下检验量子物理基础的新纪元，为探索量子力学与广义相对论的交叉领域提供了新的实验手段；在工程层面，为未来更复杂的空间科学任务积累了宝贵的工程经验和技术标准。因此，该文不仅是量子信息科学领域的一个重要里程碑记录，也为相关领域的科研人员、工程师以及政策制定者提供了极具价值的参考。