更小、更轻、更灵活：“济南一号”实现基于微纳卫星的实时量子密钥分发

2022年7月27日，世界首颗量子微纳卫星“济南一号”成功发射升空，在500公里的太阳同步轨道上环绕地球旋转已有两年的时间。与“墨子号”相比，“济南一号”体量更小，质量更轻，安装使用更加灵活，同时成本更低，性能更高，具有更加广阔的应用空间。如今，由中国科学技术大学潘建伟团队将“济南一号”两年实验积累的科技成果，以“”为题整理发表在《自然》期刊上。

无独有偶，在“济南一号”卫星升空之后，德国、新加坡、以色列等国家纷纷发射了量子通信小型卫星，用于星地量子通信的前期技术验证和测试。近年来，量子通信已凭借高安全性的优势，成为科技竞赛中各国争相部署的战略高地。全球量子通信，中美领跑、欧洲追赶，国际竞争水深火热。

更小、更轻、更灵活

在“济南一号”之前，中国科学技术大学潘建伟团队研制的世界首颗量子通信实验卫星“墨子号”已在轨飞行多年，这是人类第一次在星地链路下验证了量子保密通信这无条件安全的通信方式。

“济南一号”是一颗微纳卫星，它的体量比“墨子号”小太多，它的量子密钥分发载荷只有22.7公斤，即使算上整星，也只有约96公斤，仅是“墨子号”的六分之一，尺寸、功耗都大大减小。此外，为了进一步探索量子卫星商业化、规模化的可能性，“济南一号”的量子密钥分发载荷没有采用传统航天的高等级（高成本）元器件，而是采用类似商业航天的低等级（低成本）元器件，与“墨子号”相比显著降低了载荷成本。

▲“济南一号”卫星和地面站

除了卫星，“济南一号”的研究团队还开发了更轻的便携式地面站，每个地面站重约100公斤。这相比传统的光学地面站（重量可超过13,000公斤）降低了超过2个数量级。本次实验中，团队为了同时测试便携式地面站面向城市、山区等复杂场景的显示应用，将地面站选定在武汉、合肥、济南、南山等地区。结果表明，这些地面站的便携性使其能够在从城市到偏远山区等各种具有挑战性的环境中部署。本同步测试从为量子通信最终迈向实用化迈出了一大步。

这些地面站也配备了能够接收来自卫星的量子信号的望远镜和专用探测器。研究人员设计这些地面站以便于组装和快速部署，只需三到五小时即可完成设置。这种灵活性使技术可供广泛的用户使用，应用前景广阔。

安全通信不再“延时”

技术上，“济南一号”的另一个重要创新在于，相比较于“墨子号”的微纳经典通信道，研究团队创新性地使用了一个复用的双向卫星-地面光通信系统，允许同时传输量子密钥和经典数据，通过激光通信实现了实时密钥提取并生成最终码，时效性比“墨子号”提升了2-3个数量级。

▲“济南一号”星地密钥分发实验示意图

另外，“济南一号”还采用多级加密和认证体系，有效加强了经典通信通道的安全防护设计，为将来与现有的经典通信体系无缝链接，实现天地一体化广域量子保密通信网络铺平道路。

夜空中最亮的“量子星座”

未来的量子通信网络将是怎样的？科学家们为我们构想了一套更安全、更广阔的全新通信网络：由“中高轨量子卫星+低轨量子通信卫星星座+大规模地面光纤量子通信网络”构成的实用化、完整化、全球化的空地一体广域量子通信网络体系。三者相互配合，互为补充，共同构成了夜空中最亮的“量子星座”。

▲“济南一号”团队实验室照片

目前，地面上的量子骨干网络正在建设中，未来，会有更多类似“京沪干线”这样的量子骨干光纤网络，覆盖中国大部分地区，同时，也会有“短途”的城域网与之配合。在中高轨道卫星方面，科研人员会针对全天时工作、大尺度覆盖的需求，研发可以在白天进行量子密钥分发的同步轨道卫星。

从“墨子号”到“济南一号”，“量子星座”中的低轨量子通信卫星实用化目标也已逐渐构建成型。未来，计划还要发射几个类似的卫星，用于搭载量子密钥分发空间终端，布局低轨，形成星座，这样就可以为全球各地的大量用户提供满足他们需求的密钥更新服务。这些运行于低轨的卫星，就像忠诚的“信使”，不论身处繁华都市，还是位于偏远海岛，都能始终守护大众的信息安全。

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