我國實現星地量子密鑰分發新突破

記者從中國科學技術大學獲悉，該校潘建偉、彭承志、廖勝凱等科研人員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、微小衞星創新研究院等單位組成的研究團隊，近期在國際上首次實現微納量子衞星與小型化、可移動地面站之間的即時星地量子密鑰分發，在單次衞星通過期間實現了多達100萬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。該工作為實用化衞星量子通信組網鋪平了道路。相關研究成果於2025年3月20日在國際學術期刊《自然》在線發表。

通信安全是國家信息安全和經濟社會發展的重要基礎。基於量子密鑰分發的量子保密通信是迄今唯一安全的通信方式，可以大幅提升現有信息系統的安全傳輸水平。目前，基於光纖鏈路的城域城際量子通信已發展成熟並初步得以應用。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。利用衞星平台進行自由空間量子密鑰分發，能夠有效克服這些限制，實現全球範圍的量子保密通信。

為此中國科學技術大學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。此前，中國科學技術大學牽頭研製的“墨子號”量子科學實驗衞星在國際上首次實現了星地量子密鑰分發，並與地面光纖量子保密通信骨幹網“京滬幹線”構成首個天地一體化廣域量子保密通信網絡，充分驗證了基於衞星實現全球化量子通信的可行性。由於“墨子號”量子衞星無法直接覆蓋全球且成本較高，因此發射多顆低成本微納量子衞星並實現組網運行是構建高效率、實用化、全球化量子通信網絡的迫切需求。

為了實現這一目標，研究團隊成功突破了低成本小型化誘騙態量子光源技術、複合激光通信的即時密鑰提取技術、基於衞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、量子微納衞星平台研製。載荷重量約23kg，相比“墨子號”重量輕10倍，但光源頻率卻提升了約6倍，密鑰生成時效性由數天時間完成提高到單軌即時成碼。在此基礎上，研究團隊進一步發展了小型化地面站系統。該系統重量從第一代地面站的重約13噸降低到了現在約100kg的水平，不僅能夠快速部署，還可以適應城市、山區、高原等各類環境，原理上已可支撐移動量子通信。

在本研究工作中，量子微納衞星與濟南、合肥、南山、武漢、北京、上海、南非斯泰倫博斯等地面光學站建立光鏈路，實現即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即時提取，一次過軌對接實驗可生成250 kbits-1Mbits的安全密鑰，平均成碼率可達3 kbps。以衞星作為可信中繼，研究團隊進一步實現了地面相距12900km北京站和南非斯泰倫博斯站之間的密鑰共享和數據中繼。

該研究工作為未來發射多顆微納衞星構建“量子星座”奠定了堅實基礎，不僅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闢了新的發展路徑。

（總枱央視記者 帥俊全 褚爾嘉）