世界首颗量子微纳卫星“济南一号”圆满完成使命

世界首颗量子微纳卫星“济南一号”

圆满完成使命

10月17日，设计寿命为两年的国际首颗量子微纳卫星“济南一号”，完成了三年多的在轨任务，坠入南太平洋。这颗仅有冰柜大小、重量不足百公斤的“太空量子信使”，自 2022 年 7 月 27 日搭载“力箭一号”火箭划破酒泉上空的那一刻起，便肩负着突破量子通信实用化瓶颈的使命。如今，它已交出了一份圆满的答卷。

世界首颗量子微纳卫星“济南一号”

使命的召唤：从“墨子号”到“济南一号”的进化之路

通信安全是国家信息安全和经济社会发展的重要基础。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，将大幅提升现有信息系统的安全传输水平。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。为实现远距离乃至全球化的量子保密通信，需要克服光纤存在的固有损耗以及难以覆盖全球的问题。利用卫星平台进行自由空间量子密钥分发，能够有效克服这些限制，实现全球范围的量子保密通信。

时间回溯到2016年8月16日，“济南一号”的前辈——世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”在酒泉卫星发射中心发射。此后，“墨子号”在国际上首次实现了星地双向量子纠缠分发和量子力学非定域性检验、从地面到卫星的量子隐形传态和从卫星到地面的量子密钥分发，并与地面光纤量子保密通信骨干网“京沪干线”构成首个天地一体化广域量子保密通信网络，充分验证了基于卫星实现全球化量子通信的可行性。

作为一颗低轨卫星，“墨子号”无法直接覆盖全球且成本较高。因此在“墨子号”的基础上，为进一步提升星地量子通信的传输效率与时效性，亟需发射多颗低成本量子微纳卫星并实现组网运行（即“量子星座”），这已成为构建高效率、实用化、全球化量子通信网络的迫切需求。

量子星座示意图

要构建量子星座，必须让卫星和地面站都‘瘦下来’，降低卫星的体积重量、进而降低发射成本，提升地面站使用的便捷性，实现性能的跨越式提升。然而，这一目标在当时的技术条件下挑战极大——不仅需要将载荷重量降低一个量级，同时还要求时效性较“墨子号”提升百倍甚至千倍。

朝向这一目标，由中国科学技术大学潘建伟、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的合肥国家实验室卫星量子通信研究团队，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。在系列技术突破的基础上，团队研制的国际首颗量子微纳卫星“济南一号”于2022年7月27日成功发射入轨。

“济南一号”搭载 “力箭一号” 火箭升空

“济南一号”：极致的“瘦身”艺术与性能的跨越式提升

相较于 “墨子号”，“济南一号”实现了轻量化的革命性突破：其载荷重量从约250kg降至约23kg，卫星“体重”也从635公斤降至约96公斤。得益于卫星尺寸和重量的大幅降低，其研发和发射成本也远低于“墨子号”，而光源频率却提升了约6倍，密钥生成时效性更是从数天时间缩短到单轨实时成码的分钟级。同时，地面站成功从 13 吨 “瘦身”到约 100 公斤，部署时间也从数月缩短至3-5小时，使其能灵敏适应城市、山区、高原等多种复杂环境。这些变化让卫星量子通信首次具备了规模化推广的条件，并向构建实用化量子星座迈出了一大步。

左图：固定地面站

右图：可移动的小型化地面站

“实现量子和经典通信卫星星座的里程碑”

入轨后的 "济南一号" 展现出惊人的 "战斗力"。它与济南、合肥、南山、武汉、北京、上海、南非斯坦陵布什等多地的地面光学站建立了光链路，并完成了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超2.5亿个信号光子，结合双向光通信实现密钥的实时提取，一次过轨对接实验可生成250 kbits到1Mbits的安全密钥，平均成码率高达3 kbps。

“济南一号”三维模拟演示

以卫星作为可信中继，进一步在相距12900公里的北京站和南非斯泰伦博斯站之间实现了密钥共享和数据中继的实验演示。

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

（Stellenbosch University）实验现场

该研究工作为未来发射多颗量子微纳卫星构建“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是 “技术上令人钦佩的成就（a technically impressive achievement）”，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（represents considerable progress towards trusted-node constellations for wide-spread satellite QKD services）”，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（shows the maturity of the satellite QKD technology and it represents a milestone for the realization of a satellite-constellation for quantum and classical communication）”。

夜空中最亮的“量子星座”

受“墨子号”和“济南一号”成功实施的引领，欧美国家近年来不断提出量子卫星计划，试图追赶上我国的步伐。据《自然》期刊今年3月报道，目前国际上有大约十余颗量子卫星正在准备发射，部分公开的计划包括：欧洲航天局（ESA）Eagle-1 量子卫星计划于 2025 年底至 2026 年初发射；ESA与霍尼韦尔合作开发QKDSat卫星，宣布即将发射；波音公司计划于2026年发射Q4S卫星；加拿大航天局资助QEYSSat卫星，计划于今年发射；新加坡SpeQtral公司将开发两颗量子通信卫星及相应的地面站等。全球卫星量子通信竞赛的热潮，正是对我国空间量子科学实验及实用化卫星量子通信开创性价值的最佳注脚。

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。在应用需求的持续牵引下，“量子星座”建设正加速推进：由三颗低轨道卫星组成的星座已进入研制关键阶段，预计明年发射，将率先完成协同组网，初步构建起“量子星座”雏形。卫星入轨后将与多个地面站、地面光纤量子密钥分发网络互联，逐步构建服务电信、能源、金融等重点行业的量子密码基础设施，为各行各业数据安全提供坚不可摧的技术支撑。同时，具有更长过境时间——因而也具有更多量子密钥发射量的国际上第一颗中高轨道量子卫星也在研制之中。

未来，中高轨量子卫星、低轨量子通信卫星，将组成夜空中最亮的“量子星座”，并与大规模地面光纤量子通信网络相结合，将构成实用化、完整化、全球化的天地一体广域量子通信网络体系，共同守护通信安全。

当夜幕降临，仰望星空的人们或许不会留意这颗微小卫星曾经的轨迹，但它所守护的信息安全理念，所开辟的量子星座道路，将如同星空中的灯塔，指引着人类迈向更安全的数字未来。"济南一号" 的使命已然完成，它点燃的量子星火，正在燎原。