由於外太空幾乎真空，對於光信號的吸收損耗幾乎為零，因此通過衛星的輔助可以極大擴展量子通信距離。本世紀初以來，該方向已成為國際學術界激烈角逐的焦點。潘建偉團隊為實現星地量子通信開展了一系列先驅性的實驗研究。2003年，該團隊提出了利用衛星實現星地間量子通信、構建覆蓋全球量子保密通信網的方案，隨後於2004年在國際上首次實現了水平距離13公里（大於大氣層垂直厚度）的自由空間雙向量子糾纏分發，驗證了穿過大氣層進行量子通信的可行性。2011年底，中科院戰略性先導科技專項“量子科學實驗衛星”正式立項。2012年，潘建偉領銜的中科院聯合研究團隊在青海湖實現了首個百公里的雙向量子糾纏分發和量子隱形傳態，充分驗證了利用衛星實現量子通信的可行性。
2013年，中科院聯合研究團隊在青海湖實現了模擬星地相對運動和星地鏈路大損耗的量子密鑰分發實驗，全方位驗證了衛星到地面的量子密鑰分發的可行性。隨後，該團隊經過艱苦攻關，最終成功研製了“墨子號”量子科學實驗衛星。“墨子號”衛星於2016年8月16日在酒泉衛星發射中心發射升空，經過4個月的在軌測試，2017年1月18日正式交付開展科學實驗。
我國首次在空間科學研究領域走到世界最前列
近年來，潘建偉團隊利用“墨子號”量子衛星在國際上率先完成了一系列具有開創意義的星地量子科學實驗。
這些實驗包括：完成了星地量子密鑰分發、北京到維也納的洲際量子密鑰分發、基於糾纏的無須可信中繼量子密鑰分發，並進一步在量子保密通信京滬幹線與“墨子號”量子衛星之間成功實現了對接，驗證了星地廣域量子通信的可行性；實現了星地雙向量子糾纏分發實驗，觀察到了星地間千公里距離的嚴格滿足愛因斯坦定域性條件的貝爾不等式的破缺，驗證了空間尺度量子糾纏的存在和量子力學基本原理的正確性；完成了首個地星量子隱形傳態以及星地量子態遠程傳輸，證明了在地星千公里距離上能夠完成量子比特的傳輸，為全球化量子信息處理網絡奠定了基礎；在完成了廣域量子通信和量子力學基本問題檢驗的既定科學目標後，還在空間量子科學實驗的其他方向展開了探索工作，利用上行量子信道，對一類預言引力場導致量子退相幹的理論模型進行了實驗檢驗，邁出了探索量子力學與廣義相對論相融合的實驗檢驗的第一步；將量子通信技術與量子精密測量技術相結合，實現了星地安全時頻傳輸實驗，驗證了在空間尺度開展廣域光頻標研究的可行性。
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