2022年7月，世界首顆量子微納衛星“濟南一號”發射入軌。兩年多時間過去了，如今一個突破性消息傳來——中國科研團隊在國際上首次實現量子微納衛星與小型可移動地面站之間的實時星地量子密鑰分發，成功在中國和南非之間相隔12900多公里的距離上建立量子密鑰，為實用化衛星量子通信組網鋪平了道路。
這個突破意味着，未來更多類似的“濟南一號”，一起組建“量子星座”成為可能。3月19日，新黃河記者專訪濟南量子技術研究院副院長周飛，詳解組建“量子星座”邁過的那些坎。
“濟南一號”實現單軌實時成碼
基於量子密鑰分發的量子保密通信，是迄今唯一可實現“信息論可證”安全性的通信方式，將大幅提升現有信息系統的信息安全傳輸水平。利用衛星平台進行自由空間量子密鑰分發，能夠突破光纖等傳輸限制，實現全球範圍的量子保密通信。
此前，中國科研人員利用世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”，首次實現了星地量子密鑰分發。然而，其成本高、覆蓋面有限，科研人員轉而嘗試發射造價更低、身材更“苗條”的微納衛星，通過多顆組網，構建高效率、實用化、全球化量子通信網絡。
朝着這一目標，包括濟南量子技術研究院在內的研究團隊成功突破了低成本小型化誘騙態量子光源技術、複合激光通信的實時密鑰提取技術、基於衛星姿控的高精度跟瞄等關鍵技術，並完成星載量子密鑰分發載荷、量子微納衛星平台研製。
圖1量子微納衛星“濟南一號”星地量子密鑰分發實驗示意圖
一個是世界首顆量子微納衛星，一個是世界首顆量子科學實驗衛星，“濟南一號”比前輩“墨子號”特殊在哪裡？
周飛介紹，“濟南一號”載荷重量約23公斤，部分荷載器件由濟南量子技術研究院負責研發。雖然它的重量比“墨子號”低一個數量級，光源頻率卻提升約6倍，密鑰生成時效性由數天時間完成提高到了單軌實時成碼。特別是在國際上首次實現了“濟南一號”與小型化、可移動地面站之間的實時星地量子密鑰分發，在單次衛星通過期間實現多達100萬比特的安全密鑰共享。
太空“量子星座”成為可能
在本次研究工作中，由濟南量子技術研究院與中國科學技術大學、中國科學院上海技術物理研究所、微小衛星創新研究院等單位組成研究團隊，“濟南一號”量子微納衛星與濟南、合肥、南山、武漢、北京、上海、南非斯泰倫博斯等地面光學站建立光鏈路，成功實現實時星地量子密鑰分發實驗。
“這次實現了中國和南非之間跨越12900公里的全球化量子保密通信實驗工作，可以讓我們更清晰地看到，在不遠的將來，我們可以將很多像‘濟南一號’的量子衛星組建量子星座網絡，這樣我們中國可以在沒有光纖的環境下，與世界各地進行量子保密通信。”周飛介紹。
圖2中國—南非“一次一密”加密傳輸的圖片（上圖：長城照片；下圖：南非斯坦陵布什大學（stellenbosch university）實驗現場）
該成果在最新一期國際權威學術期刊《自然》發表後，雜誌審稿人稱讚這是 “技術上令人欽佩的成就”，代表了“基於可信節點量子星座提供廣域衛星量子密鑰分發服務的長足進步”，並“展示了衛星量子密鑰分發技術的成熟，代表了實現量子和經典通信衛星星座的里程碑”。
這個成果為未來發射多顆量子微納衛星組建“量子星座”奠定了堅實基礎——不僅為大規模實用化量子通信網絡的建設提供了關鍵技術支撐，更為量子互聯網的全球部署開闢了新的發展路徑。
地面基站僅百公斤，可快速部署
早在2019年，濟南量子技術研究院研究團隊就啟動了小型化量子通信衛星地面站系統項目。2019年12月30日23時31分至39分，部署在濟南量子研究院樓頂的衛星地面站與“墨子號”對接測試成功，標誌着我國首個小型化可移動量子衛星地面站在濟南建設完成。
圖3 部署在樓頂的小型化地面站
此後，科研人員繼續推動量子衛星地面站的小型化研究。新黃河記者看到，完成此次實時星地量子密鑰分發的一台衛星地面站就部署在該研究院的樓頂，重量僅100公斤，而首代地面站重達13噸。據介紹，這款新型衛星地面站系統適應城市、山區、高原等各類環境，能夠快速部署，原理上已可支撐移動量子通信。
“我們和中國科大一起合作，研製了小型化的可移動量子衛星地面站，從原來十幾噸的重量，降低到現在百公斤量級。”周飛說，這意味着我們可以把地面站分解，背包式地帶到世界任何地方進行組裝，實現和中國的量子衛星進行保密通信。
記者:陳元昊 記者:曹茜 編輯:劉梅梅 校對:王菲
