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中國科學技術大學潘建偉、彭承志、廖勝凱等，聯合濟南量子技術研究院、中國科學院上海技術物理研究所、微小衛星創新研究院等單位組成的研究團隊，在國際上首次實現量子微納衛星與小型化、可移動地面站之間的實時星地量子密鑰分發，在單次衛星通過期間實現了多達1百萬比特的安全密鑰共享。在此基礎上，聯合團隊和南非斯坦陵布什(Stellenbosch)大學科研團隊合作，在中國和南非之間相隔12900多公里的距離上建立了量子密鑰，完成對圖像數據“一次一密”加密和傳輸。該工作為實用化衛星量子通信組網鋪平了道路。相關研究成果于2025年3月20日在線發表在國際學術期刊《自然》雜志上。
通(tong)信安全(quan)(quan)是(shi)國家信息(xi)安全(quan)(quan)和經濟社會發(fa)展(zhan)的(de)(de)重要(yao)(yao)基礎。基于(yu)量(liang)子(zi)(zi)密(mi)鑰分發(fa)的(de)(de)量(liang)子(zi)(zi)保密(mi)通(tong)信是(shi)迄今唯(wei)一可實(shi)(shi)(shi)現(xian)(xian)“信息(xi)論可證”安全(quan)(quan)的(de)(de)通(tong)信方式，將大幅提升(sheng)現(xian)(xian)有(you)信息(xi)系統(tong)的(de)(de)安全(quan)(quan)傳(chuan)輸水平。目前，基于(yu)光(guang)(guang)纖鏈路的(de)(de)城域城際量(liang)子(zi)(zi)通(tong)信已發(fa)展(zhan)成熟并初步得以應用(yong)。為實(shi)(shi)(shi)現(xian)(xian)遠距離乃至(zhi)全(quan)(quan)球化的(de)(de)量(liang)子(zi)(zi)保密(mi)通(tong)信，需要(yao)(yao)克服光(guang)(guang)纖存在的(de)(de)固(gu)有(you)損耗(hao)以及(ji)難(nan)以覆蓋(gai)全(quan)(quan)球的(de)(de)問題。利用(yong)衛星平臺進行自由空間量(liang)子(zi)(zi)密(mi)鑰分發(fa)，能夠有(you)效克服這些限制，實(shi)(shi)(shi)現(xian)(xian)全(quan)(quan)球范圍的(de)(de)量(liang)子(zi)(zi)保密(mi)通(tong)信。
中(zhong)國科大與多家科研(yan)機構協(xie)同攻關，在(zai)星(xing)地(di)量(liang)子(zi)通信方面開展了(le)一系列(lie)開創性研(yan)究。中(zhong)國科大牽(qian)頭研(yan)制的(de)“墨子(zi)號(hao)”量(liang)子(zi)科學實(shi)驗衛(wei)星(xing)在(zai)國際上首(shou)次實(shi)現(xian)了(le)星(xing)地(di)量(liang)子(zi)密鑰分發，并(bing)(bing)與地(di)面光(guang)纖量(liang)子(zi)保密通信骨干網(wang)“京滬干線”構成首(shou)個天地(di)一體化廣(guang)域量(liang)子(zi)保密通信網(wang)絡(luo)，充分驗證了(le)基于衛(wei)星(xing)實(shi)現(xian)全(quan)球(qiu)化量(liang)子(zi)通信的(de)可行性。由(you)于“墨子(zi)號(hao)”量(liang)子(zi)衛(wei)星(xing)無(wu)法直接覆蓋全(quan)球(qiu)且成本較(jiao)高(gao)，發射(she)多顆低成本量(liang)子(zi)微納(na)衛(wei)星(xing)并(bing)(bing)實(shi)現(xian)組網(wang)運行，已(yi)成為構建高(gao)效(xiao)率、實(shi)用化、全(quan)球(qiu)化量(liang)子(zi)通信網(wang)絡(luo)的(de)迫(po)切需求。
朝向這一目標，研(yan)究團隊(dui)成(cheng)功突(tu)破了(le)低成(cheng)本(ben)小型化(hua)(hua)誘騙(pian)態量(liang)子(zi)(zi)光(guang)源(yuan)技(ji)術(shu)、復合激光(guang)通信的(de)實時(shi)密鑰提(ti)取技(ji)術(shu)、基于(yu)衛星(xing)(xing)姿控的(de)高(gao)精(jing)度跟瞄等(deng)關鍵技(ji)術(shu)，完成(cheng)星(xing)(xing)載(zai)量(liang)子(zi)(zi)密鑰分發載(zai)荷、量(liang)子(zi)(zi)微納衛星(xing)(xing)平臺(tai)研(yan)制(zhi)，載(zai)荷重量(liang)約23kg，相比“墨(mo)子(zi)(zi)號(hao)”降(jiang)低約一個(ge)數量(liang)級，光(guang)源(yuan)頻率提(ti)升(sheng)約6倍(bei)，密鑰生成(cheng)時(shi)效性由(you)數天時(shi)間完成(cheng)提(ti)高(gao)到(dao)單軌(gui)實時(shi)成(cheng)碼。在系(xi)(xi)列技(ji)術(shu)突(tu)破的(de)基礎上(shang)，團隊(dui)研(yan)制(zhi)的(de)國際首顆(ke)量(liang)子(zi)(zi)微納衛星(xing)(xing)“濟(ji)南一號(hao)”于(yu)2022年7月27日成(cheng)功發射入軌(gui)。研(yan)究團隊(dui)進一步(bu)發展了(le)小型化(hua)(hua)地面(mian)站(zhan)系(xi)(xi)統，相對第一代重約13噸(dun)的(de)地面(mian)站(zhan)，重量(liang)降(jiang)低了(le)約兩個(ge)數量(liang)級達(da)到(dao)低于(yu)100kg的(de)水平，能夠快(kuai)速部(bu)署，可適(shi)應城市(shi)、山區、高(gao)原等(deng)各類環境，原理上(shang)已可支(zhi)撐移動量(liang)子(zi)(zi)通信。
在本研究工(gong)作中(zhong)，量(liang)子(zi)微納衛(wei)星(xing)與濟南、合肥、南山(shan)、武漢(han)、北(bei)京(jing)、上(shang)(shang)海、南非斯坦陵布(bu)什等地面光學(xue)站(zhan)建立光鏈(lian)路，實(shi)(shi)現實(shi)(shi)時星(xing)地量(liang)子(zi)密鑰分發實(shi)(shi)驗。星(xing)載量(liang)子(zi)誘騙態光源平(ping)均每(mei)秒發送2.5億個信號光子(zi)，結(jie)合上(shang)(shang)下行光通(tong)信實(shi)(shi)現密鑰的(de)實(shi)(shi)時提取(qu)，一次過軌對接實(shi)(shi)驗可生成250kbits-1Mbits的(de)安全密鑰，平(ping)均成碼率可達3kbps。以衛(wei)星(xing)作為可信中(zhong)繼(ji)，研究團隊進一步實(shi)(shi)現了地面相距12900km北(bei)京(jing)站(zhan)和(he)南非斯坦陵布(bu)什站(zhan)之間的(de)密鑰共(gong)享和(he)數據(ju)中(zhong)繼(ji)。
圖1 量子微納(na)衛(wei)星“濟南一號(hao)”星地量子密鑰分(fen)發(fa)實驗示意圖
圖2 中(zhong)國-南非“一次(ci)一密(mi)”加(jia)密(mi)傳輸的圖片(上(shang)圖：長城照片;下圖：南非斯(si)坦陵布什大學實驗現場)
該研究(jiu)工作為未(wei)來發(fa)射多(duo)顆微納衛星(xing)構(gou)建“量(liang)子(zi)星(xing)座(zuo)”奠定了(le)(le)堅實(shi)基礎，不僅為大規模實(shi)用化量(liang)子(zi)通信網(wang)絡(luo)的(de)(de)建設(she)提供了(le)(le)關鍵(jian)技術支撐，更為量(liang)子(zi)互(hu)聯(lian)網(wang)的(de)(de)全球部署開(kai)辟(pi)了(le)(le)新(xin)的(de)(de)發(fa)展(zhan)路徑。
《自(zi)然(ran)(ran)》雜(za)(za)志審稿人稱贊該成果是 “技(ji)術上(shang)令人欽佩的(de)成就(a technically impressive achievement)”，代表了“基(ji)于可信(xin)節(jie)點(dian)量(liang)子星(xing)(xing)座(zuo)提(ti)供廣域(yu)衛星(xing)(xing)量(liang)子密(mi)鑰分(fen)發(fa)服務的(de)長足(zu)進(jin)(jin)步(represents considerable progress towards trusted-node constellations for wide-spread satellite QKD services)”，并“展示了衛星(xing)(xing)量(liang)子密(mi)鑰分(fen)發(fa)技(ji)術的(de)成熟，代表了實現量(liang)子和經典(dian)通信(xin)衛星(xing)(xing)星(xing)(xing)座(zuo)的(de)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)”。《自(zi)然(ran)(ran)》雜(za)(za)志還以“向長距離安全量(liang)子通信(xin)的(de)現實飛(fei)躍(A practical leap towards secure quantum communication over long distances)”為題配發(fa)研究簡報(Research Briefing)進(jin)(jin)行(xing)(xing)報道，《自(zi)然(ran)(ran)》播客(Nature Podcast)、著(zhu)名科(ke)學(xue)雜(za)(za)志英(ying)國《新科(ke)學(xue)家》(New Scientist)等(deng)也對(dui)該工(gong)作進(jin)(jin)行(xing)(xing)了專題報道。
該研(yan)究工作得到了科技部、中國科學院、國家(jia)自(zi)然(ran)科學基金委、安徽省、山東省、上海市等的(de)支持(chi)。
論文鏈接：
//www.nature.com/articles/s41586-025-08739-z
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