我国学者在星地量子通信领域取得进展

　　

图 星地实时量子密钥分发示意图

　　在国家自然科学基金项目（批准号：92476203）等资助下，中国科学技术大学潘建伟教授团队及其合作者在星地量子密钥分发方面取得了新进展。相关成果以“基于微纳卫星的实时量子密钥分发（Microsatellite-based real-time quantum key distribution）”为题，于2025年3月20日发表在《自然》（Nature），论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-08739-z。

　　量子密钥分发是目前唯一在信息论层面被证明安全的密钥分发技术，有望显著提升现有信息系统的安全传输能力。虽然基于光纤的量子通信网络已在城域和城际范围初步应用，但其固有损耗和覆盖局限性限制了远距离乃至全球化应用。为此，利用卫星平台进行自由空间量子密钥分发成为突破瓶颈的关键。中国科大及其合作机构在星地量子通信领域开展了先驱性研究，并成功研制了“墨子号”量子卫星，首次实现了星地量子密钥分发，并与“京沪干线”构成天地一体化广域量子通信网络，验证了全球量子通信的可行性。然而，考虑到“墨子号”的覆盖范围和成本因素，发射多颗低成本量子微纳卫星并组网运行，成为构建高效、实用、全球化量子通信网络的迫切需求。

　　针对星地量子密钥分发实用化难题，研究团队成功研制国际首颗量子微纳卫星“济南一号”，突破了低成本小型化诱骗态量子光源、复合激光通信实时密钥提取、卫星姿控高精度跟瞄等关键技术。该卫星载荷重量仅23kg，光源频率高达625MHz。同时，研究团队还发展了小型化地面站系统，重量降低至100kg以下，具备快速部署能力。基于该卫星，团队成功实现了星地量子密钥分发实验，卫星平均每秒发送2.5亿个信号光子，单次过轨实验可生成高达1Mbits的安全密钥，平均成码率达3kbps。最终，团队以卫星为可信中继，完成了相距12900km的北京站和南非斯坦陵布什站之间的密钥共享和数据中继。该研究为构建“量子卫星群（quantum satellite constellation）”奠定了坚实基础，为大规模实用化量子通信网络的建设以及全球量子互联网的部署开辟了新路径。