导读：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研究团队，在国际上首次实现量子微纳卫星与小型化、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了多达1百万比特的安全密钥共享。在此基础上，联合团队和南非斯坦陵布什（Stellenbosch）大学科研团队合作，在中国和南非之间相隔12900多公里的距离上建立了量子密钥，完成对图像数据“一次一密”加密和传输。该工作为实用化卫星量子通信组网铺平了道路。相关研究成果于2025年3月20日在线发表在国际学术期刊《自然》杂志上。全球首颗量子微纳卫星“济南一号”如何实现量子通信？对比“墨子号”，“济南一号”在量子通信方面实现了哪些关键性突破？量子卫星最终将如何重塑人类通信方式？小墨特别采访了论文第一作者李杨副研究员。
1.请简单介绍量子通信原理，“济南一号”是如何帮助实现量子通信的？
量子通信主要就是基于量子力学的基本原理，比如量子态的不可分割与不可克隆，可以从理论上实现信息传输的无条件安全。现阶段最具实用价值的方向之一就是量子密钥分发（QKD），其基本原理就是将信息编码在单个光子的量子态（比如偏振态）上，为通信双方生成一对安全的共享密钥，然后再结合一次一密等加密算法来实现保密通信。
“济南一号”作为一颗低轨量子微纳卫星（质量<100kg级），本质上就是一个在太空中的中继节点，它可以突破地面光纤网络传输距离以及覆盖范围的限制，为广域的、甚至是地球尺度的用户实现量子密钥的传递、以及经过量子密钥加密后的数据通信。
2.“济南一号”作为全球首颗量子微纳卫星，它的“微纳”特性带来了哪些技术挑战？是如何实现卫星小型化后还能保持量子通信稳定性的？
量子微纳卫星所带来的技术挑战，主要是在确保星地量子通信性能不受影响的前提下，大幅降低包括卫星、有效载荷及地面站的重量（<100kg）和成本。为了实现这一目标，我们主要是从几个方面进行突破：在卫星有效载荷方面，包括对量子密钥分发光源，以及星上捕获、跟踪和瞄准系统的优化，降低载荷的重量约一个量级；在地面，实现光学地面站的小型化、轻量化和快速部署，降低地面站的重量约两个量级；同时，我们在卫星和地面均集成了双向的激光通信，来支持实时的数据处理和保密通信。
3.对比传统量子卫星“墨子号”，“济南一号”在量子密钥分发技术上实现了哪些关键性突破？
主要是在以下几个方面：
针对卫星有效载荷上的量子密钥分发光源，我们采取了基于单激光器和主动外调制的方案，将光源的频率提升了超过5倍，同时降低了光源的体积和重量、提升了可靠性。此外，我们也提出了一种星地协同的极化控制方案，确保了在星地动态条件下量子态的高保真度。
针对卫星的光传输载荷，我们设计了一种结合卫星姿态控制的跟瞄方案。通过将地面信标光的探测信息纳入到卫星的姿态控制流程，显著提升了卫星姿态控制的精度，这样就可以简化载荷跟踪系统的设计，有效减少了光传输载荷的重量。
在对卫星和载荷进行优化的同时，我们也实现了地面站的小型化。地面站的口径从以往的米级缩减至现在的280毫米，重量也从原来的十多吨降至约100公斤。这种小型化的地面站，就不再局限于偏远地区的高山之上，而是可以便捷地部署，比如在城市高楼的楼顶等位置，极大地提升了卫星量子通信的实用性和灵活性。
最后，我们在卫星和地面站中集成了双向激光通信的模块。在进行量子光分发的同时，利用激光通信可以完成必要的数据后处理过程，如时间同步、基矢比对、纠错和隐私放大等。与以往的“墨子号”相比，我们不再需要2-3天的微波通信来进行数据后处理，而是可以在卫星过境的过程中实时地生成最终的安全密钥，大幅提升了系统的效率和实用性。
4.微纳卫星的低成本特性能否加快推动量子通信技术的民用化进程？未来会有哪些应用场景？
随着卫星和有效载荷成本的进一步降低，我们希望通过批量研制和发射这种低成本量子微纳卫星形成一个低轨量子卫星星座，结合地面大规模部署的光学地面站，来构建出一个天地一体化的广域量子通信网络，从而有效满足各类用户的安全通信需求。
目前，卫星量子通信主要是在政务、国防、金融等高安全要求的行业获得应用，为用户提供量子安全密钥的分发以及加密数据传输的服务。未来要实现卫星量子通信的民用化普及，仍然需要在技术层面继续进行突破，并进一步降低卫星和地面站的成本。
5.目前全球量子通信竞争激烈，中国现在国际上处于什么样的阶段？具有哪些优势？
中国在量子通信的研究领域稳居世界第一梯队，尤其是在卫星量子通信方面处于国际领跑的地位，其核心优势主要包括几个方面：
a) 技术领先：我们国家已成功发射了量子科学实验卫星“墨子号”以及量子微纳卫星“济南一号”，包揽了迄今为止所有已实现星地量子通信的型号任务，具备强大的技术研发与工程实现能力。
b) 人才优势：我们国家具有一批国际顶尖的量子科技专家，以及众多高水平的研究团队。同时，国内高校和科研机构也在不断加强量子科技人才培养。
c) 政策支持：政府也高度重视量子科技的发展，近年来也先后出台了一系列的政策措施，从资金支持、平台建设、项目攻关等方面为量子科技的发展提供了强有力的政策保障。
d) 产业协同：国内已初步形成涵盖从底层的量子通信设备、网络建设和运营、再到顶层的应用服务等环节的全产业链条，国内企业、高校和科研机构之间建立了良好的协同创新机制，为产业发展注入了强劲动力。
6.您认为量子通信技术与经典通信技术的共存期会有多长？量子卫星最终将如何重塑人类通信方式？
我们认为，量子通信与经典通信并非相互排斥，而是呈现出互补共生的关系。量子通信的核心价值在于解决通信领域的信息安全问题，而非是直接替代传统的通信方式，两者将会经历一段较长时间的深度融合、协同发展的一个过程。
前面也提到，我们希望通过批量研制和发射这种低成本量子微纳卫星，再结合地面大规模部署的光学地面站，来构建出一个天地一体化的广域量子通信网络，将卫星量子通信的服务，从政务、国防、金融等高安全要求的领域，进一步向民用领域进行推广和普及，最终使得量子通信服务触手可及，惠及广大民众。
本文2025年3月21日发表于微信公众号 墨子沙龙
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