中国科学技术大学联合多家单位组成的研究团队在量子通信领域的重大突破。团队首次实现微纳量子卫星与小型化、可移动地面站之间的实时星地量子密钥分发，并与南非团队合作完成远距离量子密钥建立和数据传输。文章还阐述了量子通信的重要性、研究背景以及相关技术突破和成果意义，最后提及了该成果获得国际认可。
在3月20日，记者从济南量子技术研究院了解到一则令人振奋的消息。由中国科学技术大学的潘建伟、彭承志、廖胜凯等研究人员，联合济南量子技术研究院、中国科学院上海技术物理研究所、微小卫星创新研究院等单位，共同组成了一支实力强大的研究团队。他们在量子通信领域取得了重大突破，在国际上首次实现了微纳量子卫星与小型化、可移动地面站之间的实时星地量子密钥分发。在单次卫星通过期间，就实现了多达一百万比特的安全密钥共享。在此基础上，联合团队与南非斯坦陵布什大学科研团队携手合作，在中国和南非之间相隔12900多公里的距离上成功建立了量子密钥，并且完成了对图像数据“一次一密”的加密和传输。这一工作为实用化卫星量子通信组网铺平了道路。相关研究成果于2025年3月20日在线发表在了国际学术期刊《自然》杂志上。
通信安全对于国家信息安全和经济社会发展而言，是至关重要的基础。基于量子密钥分发的量子保密通信，是迄今唯一能够实现“信息论可证”安全的通信方式。它能够大幅提升现有信息系统的安全传输水平。目前，基于光纤链路的城域城际量子通信已经发展成熟，并且初步得到了应用。然而，要实现远距离乃至全球化的量子保密通信，还面临着诸多挑战。光纤存在着固有损耗，并且难以覆盖全球。而利用卫星平台进行自由空间量子密钥分发，则能够有效克服这些限制，从而实现全球范围的量子保密通信。
中国科学技术大学与多家科研机构协同合作，在星地量子通信方面开展了一系列具有开创性的研究。由中国科大牵头研制的“墨子号”量子科学实验卫星，在国际上首次实现了星地量子密钥分发。它与地面光纤量子保密通信骨干网“京沪干线”构成了首个天地一体化广域量子保密通信网络，充分验证了基于卫星实现全球化量子通信的可行性。不过，“墨子号”量子卫星也存在一些不足，它无法直接覆盖全球，而且成本较高。因此，发射多颗低成本微纳量子卫星并实现组网运行，成为了构建高效率、实用化、全球化量子通信网络的迫切需求。
为了实现这一目标，研究团队付出了巨大的努力，成功突破了多项关键技术。其中包括低成本小型化诱骗态量子光源技术、复合激光通信的实时密钥提取技术、基于卫星姿控的高精度跟瞄等技术。他们完成了星载量子密钥分发载荷、量子微纳卫星平台的研制。载荷重量约为23kg，相比“墨子号”降低了约一个数量级。光源频率提升了约6倍，密钥生成时效性也从数天时间完成提高到了单轨实时成码。在这些系列技术突破的基础上，团队研制的国际首颗量子微纳卫星“济南一号”于2022年7月27日成功发射入轨。之后，研究团队进一步发展了小型化地面站系统。相对第一代重约13吨的地面站，重量降低了约两个数量级，达到低于100kg的水平。该地面站能够快速部署，可适应城市、山区、高原等各类环境，从原理上已经可以支撑移动量子通信。
在本次研究工作中，量子微纳卫星与济南、合肥、南山、武汉、北京、上海、南非斯泰伦博斯（Stellenbosch）等地面光学站建立了光链路，成功实现了实时星地量子密钥分发实验。星载量子诱骗态光源平均每秒发送2.5亿个信号光子，结合上下行光通信实现了密钥的实时提取。一次过轨对接实验可生成250 kbits – 1Mbits的安全密钥，平均成码率可达3 kbps。以卫星作为可信中继，研究团队进一步实现了地面相距12900km的北京站和南非斯泰伦博斯站之间的密钥共享和数据中继。
图1 量子微纳卫星“济南一号”星地量子密钥分发实验示意图
图2 中国 – 南非“一次一密”加密传输的图片（上图：长城照片；下图：南非斯坦陵布什大学（Stellenbosch University）实验现场）
该研究工作意义重大，为未来发射多颗微纳卫星构建“量子星座”奠定了坚实基础。它不仅为大规模实用化量子通信网络的建设提供了关键技术支撑，更为量子互联网的全球部署开辟了新的发展路径。
《自然》杂志审稿人对该成果给予了高度评价，称赞它是“技术上令人钦佩的成就（a technically impressive achievement）”，代表了“基于可信节点量子星座提供广域卫星量子密钥分发服务的长足进步（represents considerable progress towards trusted – node constellations for wide – spread satellite QKD services）”，并“展示了卫星量子密钥分发技术的成熟，代表了实现量子和经典通信卫星星座的里程碑（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）”。《自然》杂志还以“向长距离安全量子通信的现实飞跃（A practical leap towards secure quantum communication over long distances）”为题配发研究简报（Research Briefing）进行报道，《自然》播客（Nature Podcast）、著名科学杂志英国《新科学家》（New Scientist）等也对该工作进行了专题报道。
值得一提的是，该研究工作得到了科技部、中国科学院、国家自然科学基金委、安徽省、山东省、上海市等的支持。
本文围绕中国科研团队在量子通信领域的重大成果展开，介绍了研究团队实现微纳卫星与地面站实时星地量子密钥分发、跨国量子密钥建立和传输等突破，阐述了量子通信的重要性、研究背景及关键技术进展。此成果为实用化卫星量子通信组网和量子互联网全球部署奠定基础，获得国际高度认可，且研究得到多方支持，彰显了我国在量子通信领域的领先地位和科研实力。
