研究人员通过高精度自动跟瞄系统与“天宫二号”上的量子密钥分发终端配合，在地面站与目标飞行器之间建立起量子信道，并在此基础上开展了空—地量子密钥分发试验。
2016年9月，“天宫二号”共搭载14项应用载荷和设备成功发射。其中就有一颗大概两个微波炉大小、重量不足60千克的针对量子密钥分发实验的载荷。据介绍，“天宫二号”搭载的量子密钥分发载荷，就是以实现空—地实用化的量子密钥分发为目标，通过天上发射一个个单光子并在地面接收，生成量子密钥。
2017年，“天宫二号”顺利完成了和南山地面站之间的量子密钥分发实验。2018年，“天宫二号”开始验证组网的能力，科研团队利用“天宫二号”在分别位于南山、丽江、兴隆和德令哈的地面站之间，进行了19次量子密钥分发实验，让地面上两处距离遥远的双方实现了量子密钥共享。
飞行在轨的3年时间里，“天宫二号”和“墨子号”卫星进行了紧密合作。2016年8月，世界首颗量子科学卫星“墨子号”升上太空。“墨子号”量子密钥分发系统重约130千克，需要130瓦的功率，其科学实验任务还包括双向量子纠缠分发和量子隐形传态在内的纠缠相关量子通信实验等。而“天宫二号”搭载的量子密钥分发载荷，体积和重量不到“墨子号”载荷的一半，运行功率为80瓦，它肩负着“小型化载荷”和“中等轨道倾角”两项任务，目标也只针对量子密钥分发实验。
由于“墨子号”是太阳同步轨道运行，一天单轨；而“天宫二号”一天多轨道运行，高度为400千米，正适合低轨、中等倾角的需求，并且可以进一步尝试空—地量子密钥分发应用。“天宫二号”空间实验室的中等倾角轨道允许在一晚内多次通过单个地面站，这增加了可以生成的密钥数量。研究人员还建立了一个模型来比较不同轨道类型的、基于卫星的量子密钥分发网络的性能。结果显示，将具有中等倾角轨道的卫星与穿越极地地区的太阳同步轨道相结合，可以获得最佳性能。
“从实用的角度来说，必须要构建由高、中、低轨道卫星组成的量子星座，建立覆盖全球的量子通信网络。”王建宇表示，这是小型卫星星座向实用化量子保密通信迈出的重要一步，也被认为是创建全球量子通信网络最有希望的途径之一。