2022年7月，世界首颗量子微纳卫星“济南一号”发射入轨。两年多时间过去了，如今一个突破性消息传来——中国科研团队在国际上首次实现量子微纳卫星与小型可移动地面站之间的实时星地量子密钥分发，成功在中国和南非之间相隔12900多公里的距离上建立量子密钥，为实用化卫星量子通信组网铺平了道路。
这个突破意味着，未来更多类似的“济南一号”，一起组建“量子星座”成为可能。3月19日，新黄河记者专访济南量子技术研究院副院长周飞，详解组建“量子星座”迈过的那些坎。
“济南一号”实现单轨实时成码
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”安全性的通信方式，将大幅提升现有信息系统的信息安全传输水平。利用卫星平台进行自由空间量子密钥分发，能够突破光纤等传输限制，实现全球范围的量子保密通信。
此前，中国科研人员利用世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”，首次实现了星地量子密钥分发。然而，其成本高、覆盖面有限，科研人员转而尝试发射造价更低、身材更“苗条”的微纳卫星，通过多颗组网，构建高效率、实用化、全球化量子通信网络。
朝着这一目标，包括济南量子技术研究院在内的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，并完成星载量子密钥分发载荷、量子微纳卫星平台研制。
图1量子微纳卫星“济南一号”星地量子密钥分发实验示意图
一个是世界首颗量子微纳卫星，一个是世界首颗量子科学实验卫星，“济南一号”比前辈“墨子号”特殊在哪里？
周飞介绍，“济南一号”载荷重量约23公斤，部分荷载器件由济南量子技术研究院负责研发。虽然它的重量比“墨子号”低一个数量级，光源频率却提升约6倍，密钥生成时效性由数天时间完成提高到了单轨实时成码。特别是在国际上首次实现了“济南一号”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多达100万比特的安全密钥共享。
太空“量子星座”成为可能
在本次研究工作中，由济南量子技术研究院与中国科学技术大学、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研究团队，“济南一号”量子微纳卫星与济南、合肥、南山、武汉、北京、上海、南非斯泰伦博斯等地面光学站建立光链路，成功实现实时星地量子密钥分发实验。
“这次实现了中国和南非之间跨越12900公里的全球化量子保密通信实验工作，可以让我们更清晰地看到，在不远的将来，我们可以将很多像‘济南一号’的量子卫星组建量子星座网络，这样我们中国可以在没有光纤的环境下，与世界各地进行量子保密通信。”周飞介绍。
图2中国—南非“一次一密”加密传输的图片（上图：长城照片；下图：南非斯坦陵布什大学（Stellenbosch University）实验现场）
该成果在最新一期国际权威学术期刊《自然》发表后，杂志审稿人称赞这是 “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”。
这个成果为未来发射多颗量子微纳卫星组建“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。
地面基站仅百公斤，可快速部署
早在2019年，济南量子技术研究院研究团队就启动了小型化量子通信卫星地面站系统项目。2019年12月30日23时31分至39分，部署在济南量子研究院楼顶的卫星地面站与“墨子号”对接测试成功，标志着我国首个小型化可移动量子卫星地面站在济南建设完成。
图3 部署在楼顶的小型化地面站
此后，科研人员继续推动量子卫星地面站的小型化研究。新黄河记者看到，完成此次实时星地量子密钥分发的一台卫星地面站就部署在该研究院的楼顶，重量仅100公斤，而首代地面站重达13吨。据介绍，这款新型卫星地面站系统适应城市、山区、高原等各类环境，能够快速部署，原理上已可支撑移动量子通信。
“我们和中国科大一起合作，研制了小型化的可移动量子卫星地面站，从原来十几吨的重量，降低到现在百公斤量级。”周飞说，这意味着我们可以把地面站分解，背包式地带到世界任何地方进行组装，实现和中国的量子卫星进行保密通信。
记者:陈元昊 记者:曹茜 编辑:刘梅梅 校对:王菲