由于外太空几乎真空，对于光信号的吸收损耗几乎为零，因此通过卫星的辅助可以极大扩展量子通信距离。本世纪初以来，该方向已成为国际学术界激烈角逐的焦点。潘建伟团队为实现星地量子通信开展了一系列先驱性的实验研究。2003年，该团队提出了利用卫星实现星地间量子通信、构建覆盖全球量子保密通信网的方案，随后于2004年在国际上首次实现了水平距离13公里（大于大气层垂直厚度）的自由空间双向量子纠缠分发，验证了穿过大气层进行量子通信的可行性。2011年底，中科院战略性先导科技专项“量子科学实验卫星”正式立项。2012年，潘建伟领衔的中科院联合研究团队在青海湖实现了首个百公里的双向量子纠缠分发和量子隐形传态，充分验证了利用卫星实现量子通信的可行性。
2013年，中科院联合研究团队在青海湖实现了模拟星地相对运动和星地链路大损耗的量子密钥分发实验，全方位验证了卫星到地面的量子密钥分发的可行性。随后，该团队经过艰苦攻关，最终成功研制了“墨子号”量子科学实验卫星。“墨子号”卫星于2016年8月16日在酒泉卫星发射中心发射升空，经过4个月的在轨测试，2017年1月18日正式交付开展科学实验。
我国首次在空间科学研究领域走到世界最前列
近年来，潘建伟团队利用“墨子号”量子卫星在国际上率先完成了一系列具有开创意义的星地量子科学实验。
这些实验包括：完成了星地量子密钥分发、北京到维也纳的洲际量子密钥分发、基于纠缠的无须可信中继量子密钥分发，并进一步在量子保密通信京沪干线与“墨子号”量子卫星之间成功实现了对接，验证了星地广域量子通信的可行性；实现了星地双向量子纠缠分发实验，观察到了星地间千公里距离的严格满足爱因斯坦定域性条件的贝尔不等式的破缺，验证了空间尺度量子纠缠的存在和量子力学基本原理的正确性；完成了首个地星量子隐形传态以及星地量子态远程传输，证明了在地星千公里距离上能够完成量子比特的传输，为全球化量子信息处理网络奠定了基础；在完成了广域量子通信和量子力学基本问题检验的既定科学目标后，还在空间量子科学实验的其他方向展开了探索工作，利用上行量子信道，对一类预言引力场导致量子退相干的理论模型进行了实验检验，迈出了探索量子力学与广义相对论相融合的实验检验的第一步；将量子通信技术与量子精密测量技术相结合，实现了星地安全时频传输实验，验证了在空间尺度开展广域光频标研究的可行性。
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