中国科大实现量子微纳卫星与可移动地面站间的实时星地量子密钥分发

记者3月20日从中国科大获悉，中国科学技术大学潘建伟、彭承志、廖胜凯等，联合济南量子技术研究院、中国科学院上海技术物理研究所、微小卫星创新研究院等单位组成的研究团队，在国际上首次实现量子微纳卫星与小型化、可移动地面站之间的实时星地量子密钥分发，在单次卫星通过期间实现了多达1百万比特的安全密钥共享。在此基础上，联合团队和南非斯坦陵布什（Stellenbosch）大学科研团队合作，在中国和南非之间相隔12900多公里的距离上建立了量子密钥，完成对图像数据“一次一密”加密和传输。该工作为实用化卫星量子通信组网铺平了道路。相关研究成果于2025年3月20日在线发表在国际学术期刊《自然》杂志上。

　　通信安全是国家信息安全和经济社会发展的重要基础。基于量子密钥分发的量子保密通信是迄今唯一可实现“信息论可证”安全的通信方式，将大幅提升现有信息系统的安全传输水平。目前，基于光纤链路的城域城际量子通信已发展成熟并初步得以应用。为实现远距离乃至全球化的量子保密通信，需要克服光纤存在的固有损耗以及难以覆盖全球的问题。利用卫星平台进行自由空间量子密钥分发，能够有效克服这些限制，实现全球范围的量子保密通信。

　　中国科大与多家科研机构协同攻关，在星地量子通信方面开展了一系列开创性研究。中国科大牵头研制的“墨子号”量子科学实验卫星在国际上首次实现了星地量子密钥分发，并与地面光纤量子保密通信骨干网“京沪干线”构成首个天地一体化广域量子保密通信网络，充分验证了基于卫星实现全球化量子通信的可行性。由于“墨子号”量子卫星无法直接覆盖全球且成本较高，发射多颗低成本量子微纳卫星并实现组网运行，已成为构建高效率、实用化、全球化量子通信网络的迫切需求。

　　朝向这一目标，研究团队成功突破了低成本小型化诱骗态量子光源技术、复合激光通信的实时密钥提取技术、基于卫星姿控的高精度跟瞄等关键技术，完成星载量子密钥分发载荷、量子微纳卫星平台研制，载荷重量约23kg，相比“墨子号”降低约一个数量级，光源频率提升约6倍，密钥生成时效性由数天时间完成提高到单轨实时成码。在系列技术突破的基础上，团队研制的国际首颗量子微纳卫星“济南一号”于2022年7月27日成功发射入轨。研究团队进一步发展了小型化地面站系统，相对第一代重约13吨的地面站，重量降低了约两个数量级达到低于100kg的水平，能够快速部署，可适应城市、山区、高原等各类环境，原理上已可支撑移动量子通信。

　　在本研究工作中，量子微纳卫星与济南、合肥、南山、武汉、北京、上海、南非斯坦陵布什等地面光学站建立光链路，实现实时星地量子密钥分发实验。星载量子诱骗态光源平均每秒发送2.5亿个信号光子，结合上下行光通信实现密钥的实时提取，一次过轨对接实验可生成250 kbits-1Mbits的安全密钥，平均成码率可达3 kbps。以卫星作为可信中继，研究团队进一步实现了地面相距12900km北京站和南非斯坦陵布什站之间的密钥共享和数据中继。

　　量子微纳卫星“济南一号”星地量子密钥分发实验示意图

　　该研究工作为未来发射多颗微纳卫星构建“量子星座”奠定了坚实基础，不仅为大规模实用化量子通信网络的建设提供了关键技术支撑，更为量子互联网的全球部署开辟了新的发展路径。

　　《自然》杂志审稿人称赞该成果是“技术上令人钦佩的成就（a technically impressive achievement）”，代表了“基于可信节点量子星座提供广域卫星量子密钥分发服务的长足进步（represents considerable progress towards trusted-node constellations for wide-spread satellite QKD services）”，并“展示了卫星量子密钥分发技术的成熟，代表了实现量子和经典通信卫星星座的里程碑（shows the maturity of the satellite QKD technology and it represents a milestone for the realization of a satellite-constellation for quantum and classical communication）”。《自然》杂志还以“向长距离安全量子通信的现实飞跃（A practical leap towards secure quantum communication over long distances）”为题配发研究简报（Research Briefing）进行报道，《自然》播客（Nature Podcast）、著名科学杂志英国《新科学家》（New Scientist）等也对该工作进行了专题报道。

　　该研究工作得到了科技部、中国科学院、国家自然科学基金委、安徽省、山东省、上海市等的支持。（记者 汪乔）