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。

全球首顆量子微納衛星“濟南一號”如何實現量子通信？對比“墨子號”，“濟南一號”在量子通信方面實現了哪些關鍵性突破？量子衛星最終將如何重塑人類通信方式？小墨特別采訪了論文第一作者李楊教授。

1.請簡單介紹量子通信原理，“濟南一號”是如何幫助實現量子通信的？

量子通信主要就是基于量子力學的基本原理，比如量子態的不可分割與不可克隆，可以從理論上實現信息傳輸的無條件安全。現階段最具實用價值的方向之一就是量子密鑰分發（QKD），其基本原理就是將信息編碼在單個光子的量子態（比如偏振態）上，為通信雙方生成一對安全的共享密鑰，然后再結合一次一密等加密算法來實現保密通信。

“濟南一號”作為一顆低軌量子微納衛星（質量<100kg級），本質上就是一個在太空中的中繼節點，它可以突破地面光纖網絡傳輸距離以及覆蓋范圍的限制，為廣域的、甚至是地球尺度的用戶實現量子密鑰的傳遞、以及經過量子密鑰加密后的數據通信。

2.“濟南一號”作為全球首顆量子微納衛星，它的“微納”特性帶來了哪些技術挑戰？是如何實現衛星小型化后還能保持量子通信穩定性的？

量子微納衛星所帶來的技術挑戰，主要是在確保星地量子通信性能不受影響的前提下，大幅降低包括衛星、有效載荷及地面站的重量（<100kg）和成本。為了實現這一目標，我們主要是從幾個方面進行突破：在衛星有效載荷方面，包括對量子密鑰分發光源，以及星上捕獲、跟蹤和瞄準系統的優化，降低載荷的重量約一個量級；在地面，實現光學地面站的小型化、輕量化和快速部署，降低地面站的重量約兩個量級；同時，我們在衛星和地面均集成了雙向的激光通信，來支持實時的數據處理和保密通信。

3.對比傳統量子衛星“墨子號”，“濟南一號”在量子密鑰分發技術上實現了哪些關鍵性突破？

主要是在以下幾個方面：

針對衛星有效載荷上的量子密鑰分發光源，我們采取了基于單激光器和主動外調制的方案，將光源的頻率提升了超過5倍，同時降低了光源的體積和重量、提升了可靠性。此外，我們也提出了一種星地協同的極化控制方案，確保了在星地動態條件下量子態的高保真度。

針對衛星的光傳輸載荷，我們設計了一種結合衛星姿態控制的跟瞄方案。通過將地面信標光的探測信息納入到衛星的姿態控制流程，顯著提升了衛星姿態控制的精度，這樣就可以簡化載荷跟蹤系統的設計，有效減少了光傳輸載荷的重量。

在對衛星和載荷進行優化的同時，我們也實現了地面站的小型化。地面站的口徑從以往的米級縮減至現在的280毫米，重量也從原來的十多噸降至約100公斤。這種小型化的地面站，就不再局限于偏遠地區的高山之上，而是可以便捷地部署，比如在城市高樓的樓頂等位置，極大地提升了衛星量子通信的實用性和靈活性。

最后，我們在衛星和地面站中集成了雙向激光通信的模塊。在進行量子光分發的同時，利用激光通信可以完成必要的數據后處理過程，如時間同步、基矢比對、糾錯和隱私放大等。與以往的“墨子號”相比，我們不再需要2-3天的微波通信來進行數據后處理，而是可以在衛星過境的過程中實時地生成最終的安全密鑰，大幅提升了系統的效率和實用性。

4.微納衛星的低成本特性能否加快推動量子通信技術的民用化進程？未來會有哪些應用場景？

隨著衛星和有效載荷成本的進一步降低，我們希望通過批量研制和發射這種低成本量子微納衛星形成一個低軌量子衛星星座，結合地面大規模部署的光學地面站，來構建出一個天地一體化的廣域量子通信網絡，從而有效滿足各類用戶的安全通信需求。

目前，衛星量子通信主要是在政務、國防、金融等高安全要求的行業獲得應用，為用戶提供量子安全密鑰的分發以及加密數據傳輸的服務。未來要實現衛星量子通信的民用化普及，仍然需要在技術層面繼續進行突破，并進一步降低衛星和地面站的成本。

5.目前全球量子通信競爭激烈，中國現在國際上處于什么樣的階段？具有哪些優勢？

中國在量子通信的研究領域穩居世界第一梯隊，尤其是在衛星量子通信方面處于國際領跑的地位，其核心優勢主要包括幾個方面：

a) 技術領先：我們國家已成功發射了量子科學實驗衛星“墨子號”以及量子微納衛星“濟南一號”，包攬了迄今為止所有已實現星地量子通信的型號任務，具備強大的技術研發與工程實現能力。

b) 人才優勢：我們國家具有一批國際頂尖的量子科技專家，以及眾多高水平的研究團隊。同時，國內高校和科研機構也在不斷加強量子科技人才培養。

c) 政策支持：政府也高度重視量子科技的發展，近年來也先后出臺了一系列的政策措施，從資金支持、平臺建設、項目攻關等方面為量子科技的發展提供了強有力的政策保障。

d) 產業協同：國內已初步形成涵蓋從底層的量子通信設備、網絡建設和運營、再到頂層的應用服務等環節的全產業鏈條，國內企業、高校和科研機構之間建立了良好的協同創新機制，為產業發展注入了強勁動力。

6.您認為量子通信技術與經典通信技術的共存期會有多長？量子衛星最終將如何重塑人類通信方式？

我們認為，量子通信與經典通信并非相互排斥，而是呈現出互補共生的關系。量子通信的核心價值在于解決通信領域的信息安全問題，而非是直接替代傳統的通信方式，兩者將會經歷一段較長時間的深度融合、協同發展的一個過程。

前面也提到，我們希望通過批量研制和發射這種低成本量子微納衛星，再結合地面大規模部署的光學地面站，來構建出一個天地一體化的廣域量子通信網絡，將衛星量子通信的服務，從政務、國防、金融等高安全要求的領域，進一步向民用領域進行推廣和普及，最終使得量子通信服務觸手可及，惠及廣大民眾。