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、中國科學院微小衛星創新研究院等研究團隊，在國際上首次實現微納量子衛星與小型化、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。

并與南非斯坦陵布什（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。

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量子守護信息安全

通信安全是信息安全和經濟社會發展的重要基礎。基于量子密鑰分發的量子保密通信是迄今唯一可實現“信息論可證”安全的通信方式，可大幅提升信息系統的安全傳輸水平。目前，基于光纖鏈路的城域城際量子通信已發展成熟并初步得以應用。

為實現遠距離乃至全球化的量子保密通信，需要克服光纖存在的固有損耗以及難以覆蓋全球的問題。利用衛星平臺進行自由空間量子密鑰分發，能夠有效克服這些限制，實現全球范圍的量子保密通信。

中國科大與多家科研機構協同攻關，在星地量子通信方面開展了一系列開創性研究。“墨子號”量子科學實驗衛星在國際上首次實現了星地量子密鑰分發，并與地面光纖量子保密通信骨干網“京滬干線”構成首個天地一體化廣域量子保密通信網絡，充分驗證了基于衛星實現全球化量子通信的可行性。

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低成本全球組網

由于“墨子號”量子衛星無法直接覆蓋全球，發射多顆低成本微納量子衛星并實現組網運行，已成為構建高效率、實用化、全球化量子通信網絡的迫切需求。

研究團隊成功突破了低成本小型化誘騙態量子光源技術、復合激光通信的實時密鑰提取技術、基于衛星姿控的高精度跟瞄等關鍵技術。

完成了星載量子密鑰分發載荷、量子微納衛星平臺研制，載荷重量約23kg，光源頻率提升約6倍，密鑰生成時效性由數天時間完成提高到單軌實時成碼。

在系列技術突破的基礎上，團隊研制的國際首顆量子微納衛星“濟南一號”于2022年7月27日成功發射入軌。

▲圖1量子微納衛星“濟南一號”星地量子密鑰分發實驗示意圖

研究團隊進一步發展了小型化地面站系統，重量達到低于100kg的水平，能夠快速部署，可適應城市、山區、高原等各類環境，原理上已可支撐移動量子通信。

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跨越12900公里的實驗

在本研究工作中，量子微納衛星與濟南、合肥、南山、武漢、北京、上海、南非斯坦陵布什等地面光學站建立光鏈路，實現實時星地量子密鑰分發實驗。

星載量子誘騙態光源平均每秒發送2.5億個信號光子，結合上下行光通信實現密鑰的實時提取，一次過軌對接實驗可生成250kbits-1Mbits的安全密鑰，平均成碼率可達3kbps。

以“濟南一號”衛星作為可信中繼，研究團隊進一步實現了地面相距12900多公里的北京站和南非斯坦陵布什站之間的密鑰共享和數據中繼。

▲圖2中國－南非“一次一密”加密傳輸的圖片（左圖：長城照片；右圖：南非斯坦陵布什大學（Stellenbosch University）實驗現場）

該研究工作為未來發射多顆微納衛星構建“量子星座”奠定了堅實基礎，為大規模實用化量子通信網絡的建設提供了關鍵技術支撐，更為量子互聯網的全球部署開辟了新的發展路徑。

相關研究成果3月20日發表于《自然》雜志，審稿人稱該成果是“技術上令人欽佩的成就”，代表了“基于可信節點量子星座提供廣域衛星量子密鑰分發服務的長足進步”，并“展示了衛星量子密鑰分發技術的成熟，代表了實現量子和經典通信衛星星座的里程碑”。

相關論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-08739-z

來源：中國科學技術大學

責任編輯：吳昊