2016年8月16日1时40分，我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空 随着此次发射任务的圆满成功，人类首次完成了卫星和地面之间的量子通信，标志着我国空间科学研究又迈出重要一步.
1.量子纠缠分发
2017年6月，“墨子号”量子科学实验卫星在国际上率先成功实现了千公里级的星地双向量子纠缠分发，并在此基础上实现了空间尺度下严格满足“爱因斯坦定域性条件”的量子力学非定域性检验，在空间量子物理研究方面取得重大突破.相关成果于2017年6月16日以封面论文的形式发表在国际权威学术《科学》上
量子纠缠被爱因斯坦称为“鬼魅般的超距作用”，它是两个(或多个)粒子共同组成的量子状态，无论粒子之间相隔多远，测量其中一个粒子必然会影响其他粒子，这被称为量子力学非定域性，量子纠缠所体现的非定域性是量子力学最神奇的现象之一.量子纠缠分发是把制备好的两个纠缠粒子(通常为光子)分别发送到相距很远的两个点.通过观察两个点的统计测量结果是否破坏贝尔不等式，可以验证量子力学非定域性的存在同时，利用量子纠缠所建立起的量子信道也是构建量子信息处理网络的基本单元。
由于量子纠缠非常脆弱，会随着光子在光纤内或地表大气中的传输距离而衰减，以往的量子纠缠分发实验只停留在百公里的距离，量子纠缠“鬼魅般的超距作用”在更远的距离上是否仍然存在？会不会受到引力等其他因素的影响？这些基本物理问题的验证都需要实现上千公里甚至更远距离的纠缠分发；另一方面，要实现广域的量子网络也自然要求远距离的纠缠分发
理论上有两种途径可以扩展量子纠缠分发的距离:一种是利用量子中继，尽管量子中继的研究在近些年已取得了系列重要突破，但目前仍然受到量子存储寿命和读出效率等因素的严重制约，无法实际应用于远程量子纠缠分发.另一种是利用卫星，因为星地间的自由空间信道损耗小，在远程量子通信中比光纤更具可行性，结合卫星的帮助，可以在全球尺度上实现超远距离的量子纠缠分发.
“墨子号”量子科学实验卫星过境时，同时与青海德令哈站和云南丽江站两个地面站建立光链路，量子纠缠光子对从卫星到两个地面站的总距离平均达2000km,跟瞄精度达到0.4urad.卫星上的纠缠源载荷每秒产生800万个纠缠光子对，建立光链路可以以每秒1对的速度在地面超过1200km的两个站之间建立量子纠缠，该量子纠缠的传输衰减仅仅是同样长度最低损耗地面光纤的一万亿分之一.在关闭局域性漏洞和测量选择漏洞的条件下，获得的实验结果以4倍标准偏差违背了贝尔不等式，即在千公里的空间尺度上实现了严格满足“爱因斯坦定域性条件”的量子力学非定域性检验.
2.量子密钥分发
通信安全是国家信息安全和人类经济社会生活的基本需求.千百年来，人们对于通信安全的追求从未停止.然而，基于计算复杂性的传统加密技术，在原理上存在着被破译的可能性，随着数学和计算能力的不断提升，经典密码被破译的可能性与日俱增，与经典通信不同，量子密钥分发通过量子态的传输，在遥远两地的用户共享无条件安全的密钥，利用该密钥对信息进行一次一密的严格加密，这是目前人类唯一已知的不可窃听、不可破译的无条件安全的通信方式.
量子通信通常采用单光子作为物理载体，最为直接的方式是通过光纤或者近地面自由空间信道传输，但是，这两种信道的损耗都随着距离的增加而指数增加.
由于量子不可克隆原理，量子通信的信号不能像经典通信那样被放大，这使得之前量子通信的世界纪录仅为百公里量级、因此，如何实现安全、长距离、可实用化的量子通信是该领域的最大挑战和国际学术界几十年来奋斗的共同目标，
利用外太空几乎真空因而光信号损耗非常小的特点，通过卫星的辅助可以大大扩展量子通信距离:同时，由于卫星具有方便覆盖整个地球的独特优势，是在全球尺度上实现超远距离实用化量子密码最有希望的途径，
量子密钥分发是“墨子号”的科学目标之一.量子密钥分发实验采用卫星发射量子信号、地面接收的方式，“墨子号”过境时，与河北兴隆地面光学站建立光链路，通信距离从645km到1200km.在1200km通信距离上，星地量子密钥的传输效率比同等距离地面光纤信道高20个数量级(万亿亿倍卫星上量子诱骗态光源平均每秒发送4000万个信号光子，一次过轨对接实验可生成300kbit的安全密钥，平均成码率可达1.1kbit/s. 这一重要成果为构建覆盖全球的量子保密通信网络奠定了可靠的技术基础.以星地量子密钥分发为基础，将卫星作为可信中继，可以实现地球上任意两点的密钥共享，将量子密钥分发范围扩展到覆盖全球，此外，将量子通信地面站与合肥量子通信网、济南量子通信网、京沪干线等城际光纤量子保密通信网互联，可以构建覆盖全球的天地一体化保密通信网络.
3.量子隐形传态
量子通信的另一重要内容是量子隐形传态，它利用量子纠缠可以将物质的未
知量子态精确传送到遥远地点，而不用传送物质本身，远距离量子隐形传态是实现分布式量子信息处理网络的基本单元.
量子隐形传态也是“墨子号”的科学目标之一.量子隐形传态采用地面发射纠缠光子、天上接收的方式，“墨子号”过境时，与海拔5100m的西藏阿里地面站建立光链路，地面光源每秒产生8000个量子隐形传态事例，地面向卫星发射纠缠光子，实验通信距离从500km到1400km,所有6个待传送态均以大于99.7% 的置信度超越经典极限，倘若在同样长度的光纤中重复这一工作，则需要3800亿年(宇宙年龄的20倍)才能观测到1个事例.这一重要成果为未来开展空间尺度量子通信网络研究，以及空间量子物理学和量子引力实验检验等研究奠定了可靠的技术基础.
从卫星到地面的量子密钥分发，以及从地面到卫星的量子隐形传态，两项成果已于2017年8月10日发表在国际权威学术期刊《自然》杂志上.
“墨子号”量子卫星提前、圆满地完成了预先设定的全部三大科学目标，标志着我国在量子通信领域的研究在国际上达到全面领先的优势地位.
2019年1月31日，“墨子号”量子科学实验卫星科研团队被授予2018年度克利夫兰奖.
