2022年7月27日，世界首顆量子微納衛星“濟南一號”成功發射升空，在500公里的太陽同步軌道上環繞地球旋轉已有兩年的時間。與“墨子號”相比，“濟南一號”體量更小，質量更輕，安裝使用更加靈活，同時成本更低，效能更高，具有更加廣闊的應用空間。如今，由中國科學技術大學潘建偉團隊將“濟南一號”兩年實驗積累的科技成果，以“Microsatellite-based real-time quantum key distribution”為題整理發表在《自然》期刊上。
無獨有偶，在“濟南一號”衛星升空之後，德國、新加坡、以色列等國家紛紛發射了量子通訊小型衛星，用於星地量子通訊的前期技術驗證和測試。近年來，量子通訊已憑藉高安全性的優勢，成為科技競賽中各國爭相部署的戰略高地。全球量子通訊，中美領跑、歐洲追趕，國際競爭水深火熱。
在“濟南一號”之前，中國科學技術大學潘建偉團隊研製的世界首顆量子通訊實驗衛星“墨子號”已在軌飛行多年，這是人類第一次在星地鏈路下驗證了量子保密通訊這無條件安全的通訊方式。
“濟南一號”是一顆微納衛星，它的體量比“墨子號”小太多，它的量子金鑰分發載荷只有22.7公斤，即使算上整星，也只有約96公斤，僅是“墨子號”的六分之一，尺寸、功耗都大大減小。此外，為了進一步探索量子衛星商業化、規模化的可能性，“濟南一號”的量子金鑰分發載荷沒有采用傳統航天的高等級（高成本）元器件，而是採用類似商業航天的低等級（低成本）元器件，與“墨子號”相比顯著降低了載荷成本。
▲“濟南一號”衛星和地面站
除了衛星，“濟南一號”的研究團隊還開發了更輕的行動式地面站，每個地面站重約100公斤。這相比傳統的光學地面站（重量可超過13,000公斤）降低了超過2個數量級。本次實驗中，團隊為了同時測試行動式地面站面向城市、山區等複雜場景的顯示應用，將地面站選定在武漢、合肥、濟南、南山等地區。結果表明，這些地面站的便攜性使其能夠在從城市到偏遠山區等各種具有挑戰性的環境中部署。本同步測試從為量子通訊最終邁向實用化邁出了一大步。
這些地面站也配備了能夠接收來自衛星的量子訊號的望遠鏡和專用探測器。研究人員設計這些地面站以便於組裝和快速部署，只需三到五小時即可完成設定。這種靈活性使技術可供廣泛的使用者使用，應用前景廣闊。
技術上，“濟南一號”的另一個重要創新在於，相比較於“墨子號”的微納經典通訊道，研究團隊創新性地使用了一個複用的雙向衛星-地面光通訊系統，允許同時傳輸量子金鑰和經典資料，透過雷射通訊實現了即時金鑰提取並生成最終碼，時效性比“墨子號”提升了2-3個數量級。
▲“濟南一號”星地金鑰分發實驗示意圖
另外，“濟南一號”還採用多級加密和認證體系，有效加強了經典通訊通道的安全防護設計，為將來與現有的經典通訊體系無縫連結，實現天地一體化廣域量子保密通訊網路鋪平道路。
未來的量子通訊網路將是怎樣的？科學家們為我們構想了一套更安全、更廣闊的全新通訊網路：由“中高軌量子衛星+低軌量子通訊衛星星座+大規模地面光纖量子通訊網路”構成的實用化、完整化、全球化的空地一體廣域量子通訊網路體系。三者相互配合，互為補充，共同構成了夜空中最亮的“量子星座”。
▲“濟南一號”團隊實驗室照片
目前，地面上的量子骨幹網路正在建設中，未來，會有更多類似“京滬幹線”這樣的量子骨幹光纖網路，覆蓋中國大部分地區，同時，也會有“短途”的都會網路與之配合。在中高軌道衛星方面，科研人員會針對全天時工作、大尺度覆蓋的需求，研發可以在白天進行量子金鑰分發的同步軌道衛星。
從“墨子號”到“濟南一號”，“量子星座”中的低軌量子通訊衛星實用化目標也已逐漸構建成型。未來，計劃還要發射幾個類似的衛星，用於搭載量子金鑰分發空間終端，佈局低軌，形成星座，這樣就可以為全球各地的大量使用者提供滿足他們需求的金鑰更新服務。這些運行於低軌的衛星，就像忠誠的“信使”，不論身處繁華都市，還是位於偏遠海島，都能始終守護大眾的資訊安全。
論文連結：
https://www.nature.com/articles/s41586-025-08739-z
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本文轉載自“墨子沙龍”，原標題《更小、更輕、更靈活：“濟南一號”實現基於微納衛星的即時量子金鑰分發》。
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