“量子星座”要来了！1.29万公里实时星地密钥分发成功

地面基站从13吨“减重”到约100千克，可快速部署到城市、山区、高原等不同环境；卫星载荷比“墨子号”轻了10倍左右，光源频率提升约6倍，密钥生成实现单轨实时成码——由我国多个科研单位组成的联合研究团队在原理上实现了对移动量子通信的支撑。

3月20日凌晨，国际学术期刊《自然》在线发表了这一量子通信领域的重要成果：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100万比特的安全密钥共享。

在此基础上，该科研团队还与南非斯坦陵布什大学科研团队合作，在中国和南非相隔约1.29万公里的距离之间建立了量子密钥，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。

开创性突破打造量子微纳卫星

这个科研团队由中国科学技术大学教授潘建伟、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。

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。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。利用卫星平台进行自由空间量子密钥分发，能够更有效实现全球范围的量子保密通信。

自“墨子号”量子科学实验卫星在国际上首次实现星地量子密钥分发以来，我国在星地量子通信方面取得了一系列开创性突破，并于数年前提出发射多颗低成本量子微纳卫星实现组网运行，以构建高效率、实用化、全球化量子通信网络。

量子微纳卫星“济南一号”星地量子密钥分发实验示意图

围绕这一目标，研究团队成功突破了一系列关键技术，完成星载量子密钥分发载荷、量子微纳卫星平台研制，不仅基站和星载载荷大幅减重，而且光源频率提升约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。

2022年7月27日，团队研制的国际首颗量子微纳卫星“济南一号”成功发射入轨。

低成本高效“量子星座”铺平道路

这一次，该卫星与济南、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百万比特的安全密钥。

以卫星作为可信中继，研究团队进一步实现了地面相距1.29万千米北京站和南非斯泰伦博斯站之间的密钥共享和数据中继。

中国-南非“一次一密”加密传输的图片（左图：长城照片；右图：南非斯坦陵布什大学实验现场）

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取得了“技术上令人钦佩的成就”，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”，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”。