中国量子卫星又突破！实现实时通信，迈出全球量子网络重要一步

中国量子卫星再次取得突破，中科大、中科院的团队将卫星重量缩减了一个数量级，仅为23公斤，并通过便携式地面站实现了实时的空对地安全通信，这意味着向全球量子网络迈出了重要一步。这项研究已发表在8月20日预印服务器ArXiv上。

传统通信主要依赖复杂的数学算法来加密信息，随着计算机技术的进步，这些加密方法逐渐面临被破解的风险。量子卫星可以利用量子纠缠或单光子协议，通过量子密钥分发（QKD）技术来确保通信的安全性。一旦有人试图截取密钥，系统就能立刻发现并中断通信，从而确保通信的本质安全，这点在军事领域尤为重要。

需要强调的是，量子卫星只是通过量子纠缠或其他量子技术来分发密钥，实际的信息仍然需要通过传统加密方式传输，并不是一些人想象中通过量子纠缠来超光速或瞬时传送信息，量子纠缠瞬间传送信息是违反相对论原理的，不可能实现。

此前中科大已在2016年发射了墨子号量子卫星，重量为631公斤，在全球首次实现了超过1200公里的量子密钥分发，为科学界带来了重大突破，获得了美国《科学》杂志克利夫兰奖。

简单来说，量子卫星就是天上一个望远镜，地上一个望远镜，把它们精准对齐来传递信号。研究人员在墨子号基础上开发出了微型量子卫星济南一号，望远镜口径200毫米，整星质量96公斤，有效载荷仅23公斤，体积小但功能强大，于2022年7月发射进入500公里的太阳同步轨道。

同时开发的还有仅重100公斤的便携式地面设备，比原来的13吨降低了两个数量级，望远镜也从米级口径降到了280毫米。经过两年的测试，这套系统通过双向光通信实现了量子密钥与经典数据的并行传输，卫星一次过境完成了59万比特的安全密钥共享，这意味着走出了实现全球量子网络的第一步。

根据墨子号项目提出的目标，中国将在2030年建成20颗卫星规模的全球量子通信网络。

量子卫星安全通信的关键是保持卫星和地面站的精确对准，因为它是利用激光通信，而卫星在轨道上速度极快，每秒达7.6公里，仅10到15分钟就会掠过地面设备所在的天空，这意味着必须非常精确地相互对准才能传输和接收数据，也就是说是一对一的点对点通信。

这和马斯克星链卫星还不一样，星链卫星地面终端使用相控阵天线，无需转动就可快速跟踪多个高速运行的卫星，可快速切换保持无缝通信。而星链卫星本身采用的是Ku波段和Ka波段的高频天线，可以和多个地面终端通信。

所以量子网络可能无法建成像星链那样的大规模商用全球网络，但在点对点的高度安全通信上无疑更具优势。

研究人员目前正在研究将量子密钥分发系统集成到光子芯片中，进一步缩小卫星重量和体积，便于更快捷地部署。也在探讨白天对地密钥分发的可能性，这样就可以实现全天候的安全通信服务了。

这项研究的另一个方向是开发量子中继器，通过纠缠交换技术扩展量子密钥分发距离，从而突破单颗卫星的限制，实现更大范围的量子密钥分发，形成跨大气层和地面光纤的广域量子通信，为全球量子互联网铺平道路。