空地一体！中科大等团队取得实时空对地量子安全通信重要突破

近日，由中国科学技术大学、中国科学院和科大国盾量子技术股份有限公司等单位组成的团队在实现实时空对地安全通信取得了重要突破。该团队通过技术创新将量子卫星的重量大幅缩减至23公斤，成功开发了名为“济南一号”的微型卫星，这不仅减轻了卫星的负担，还通过其便携式地面站实现了实时的空对地安全通信，为构建全球量子网络奠定了基础。

“济南一号”于2022年7月被发射到500公里的太阳同步轨道上，这一里程碑事件标志着量子通信技术在实际应用方面取得了显著进展。在轨道上，“济南一号”展示了其卓越的能力，能够在空间站和地面站之间安全地共享量子密钥，证明了量子通信在保障信息传输安全方面的高效性和可靠性。

相关论文以《Microsatellite-based real-time quantum key distribution》为题于8月20日发表在arXiv上。除中国科学技术大学、中国科学院和科大国盾量子技术股份有限公司外，其他主要贡献者包括合肥国家微尺度物理科学研究中心、上海量子科学研究中心、中国科学院量子信息与量子物理卓越创新中心、合肥国家实验室、空间有源光电子技术重点实验室、上海技术物理研究所、中国科学院微小卫星创新研究院、 济南量子技术研究院、国科量子通信网络有限公司和北京电子科技学院。

研究背景

量子网络提供了一种基础设施，将量子设备连接起来，具有革命性的计算、传感和通信能力。作为量子网络最知名的应用，量子密钥分发（QKD）通过量子力学的法律保证安全的密钥共享。量子卫星星座为全球范围内的量子网络提供了解决方案。尽管墨子卫星已经验证了卫星量子通信的可行性，要但扩大量子卫星星座的规模，需要解决包括小型化、轻量化以及实时密钥交换在内的多项挑战。

小型化和轻量化的实现

• 轻量化卫星

为了解决以上挑战，研究团队开发出一种量子微卫星，能够使用便携式地面站进行空间到地面的量子密钥分发该量子微卫星的有效载荷重约23公斤。相比于墨子卫星，质量减少了一个数量级。

• 轻量化地面站

除了卫星，研究团队还开发了便携式地面站，每个地面站重约100公斤。这相比传统的光学地面站（重量可超过13,000公斤）有了显著减少。这些地面站的便携性使其能够在各种具有挑战性的环境中部署，从城市到偏远山区。在军事应用方面，100公斤大约是一个士兵的全套作战装备的重量，这为不断穿越崎岖地形的军队使用提供了可能性。

这些地面站配备了能够接收来自卫星的量子信号的望远镜和专用探测器。研究人员设计这些地面站以便于组装和快速部署，只需三到五小时即可完成设置。这种灵活性使技术可供广泛的用户使用，包括政府、企业、武装力量和科学机构。

图：微卫星和强量化地面站

• 实时安全通信

研究中报告的最重要成就之一是能够进行实时安全通信。研究团队实施了一个复用的双向卫星-地面光通信系统，允许同时传输量子密钥和经典数据。该设置使研究人员能够在一次卫星经过期间实现密钥提取——这是生成安全加密密钥的关键过程——在一次操作中共享了最多59万位的安全密钥。

研究中的关键技术创新包括使用单一激光二极管构建的625-MHz QKD光源、高精度的卫星姿态控制跟踪技术，以及与量子通信相结合的双向卫星-地面光学通信。这些技术的结合不仅提高了系统的集成度和实用性，而且通过激光通信实现了实时的安全密钥蒸馏和安全通信，显著提高了密钥分发的时效性。此外，研究人员还采用了特殊的极化补偿方法来保证量子光子在传输过程中的极化状态不变，从而确保了量子通信的可靠性。

卫星-地面通信得以实现，得益于高精度的跟踪系统，该系统在密钥传输过程中保持卫星和地面站的完美对准。该系统结合了卫星姿态控制和先进光学技术，以维持卫星有效载荷与地面站望远镜之间的精确链接。紧凑的量子有效载荷可以方便地组装在现有的空间站或小型卫星上，为基于卫星星座的量子和经典网络在广泛实际应用中铺平了道路。

太空中最亮的“星”——从“墨子号”到“济南一号”

这次的突破得益于中国此前在量子卫星领域的技术积累。在此之前，中国的科学家就已经发射了“墨子号”安全卫星。“墨子号”安全卫星的重量为631公斤，在全球首次实现了超过1200公里的量子密钥分发，为科学界带来了重大突破。

图：“墨子号”在酒泉卫星发射中心发射升空

来源：中国科学报

中国在量子卫星通信领域取得的突破性进展始于2003年，当时中国科学家首次提出了量子卫星通信的构想。经过14年的不懈努力，中国科学家团队在潘建伟院士的带领下，从跟跑、并跑到领跑，实现了从理念到实践的飞跃。2017年，“墨子号”量子科学实验卫星的成功发射，标志着中国在全球量子通信领域迈出了重要一步，构建了初步的“天地一体化”量子保密通信体系。

“墨子号”的研发过程充满挑战，从最初的实验室研究到最终的卫星发射，中国科学家们克服了重重困难。在潘建伟院士的领导下，中国科学技术大学的研究团队在量子物理与量子信息领域取得了一系列重要成果。他们不仅在理论研究上取得了突破，更将这些理论成果转化为实际应用，实现了量子通信技术的实用化。“墨子号”的成功发射和运行，展示了中国在量子通信技术领域的领先地位，为全球量子网络的构建提供了坚实的基础。

图：潘建伟（前排中）实验团队在讨论数据

来源：中国科学报

“墨子号”的发射和科学实验任务的完成，不仅在中国国内获得了高度认可，也在国际上产生了深远影响。习近平主席在2017年新年贺词中特别提到了“墨子号”，党的十九大报告也提到了这一科技重大进展。此外，“墨子号”的成功还激发了国际上对量子科学研究的兴趣，美国和欧洲等地区随后也加大了对量子科学领域的投入和研究。面向未来，中国科学家们正计划发射更多的量子卫星，构建“量子星座”，实现全球覆盖的量子通信网络，为人类社会的发展贡献中国智慧和中国方案。

与“墨子号“相比，“济南一号”在小型化、低成本、实时成码等方面取得了显著进步。它的量子密钥分发终端重量仅为23公斤，是“墨子号”的五分之一。“济南一号“的光源频率比“墨子号“提升了六倍，采用了单激光器方案，有效降低了侧信息泄漏风险。此外，“济南一号”的地面站具备分钟级的密钥提取效率和约100kbit的单轨成码能力，使得星地之间的密钥生成时效性提高了2-3个数量级。这些技术突破不仅提升了量子通信的安全性，也为构建全球量子保密通信网络提供了更加实用和高效的解决方案。

图：“济南一号”实拍图

来源：中国科学院

耿耿星河欲曙天——多颗量子卫星共建全球量子安全通信网络

量子卫星就是天上一个望远镜，地上一个望远镜，把它们精准对齐来传递信号。根据墨子号项目提出的目标，中国将在2030年建成20颗卫星规模的全球量子通信网络。

在太空中建设空地互联网的设想早已得到提出。早在2015年，马斯克也提出了雄心勃勃的“星链”计划，想在太空中铺设一个巨大的“互联网天网”。简单来说，马斯克计划把成千上万颗小卫星送上地球轨道，这些卫星一起工作，就像一个巨大的Wi-Fi网络，把高速互联网覆盖到地球上的每一个角落。这个计划不仅帮助偏远地区的人们接入互联网，还为未来的太空探索和通信铺平了道路。在“星链”计划下，数千颗卫星已经成功被发射。截至2022年7月23日，星链服务已可在六十个国家和地区使用。

与马斯克星链卫星不一样，星链卫星地面终端使用相控阵天线，无需转动就可快速跟踪多个高速运行的卫星，可快速切换保持无缝通信。而星链卫星本身采用的是Ku波段和Ka波段的高频天线，可以和多个地面终端通信。量子卫星安全通信的关键是保持卫星和地面站的精确对准，因为它是利用激光通信，而卫星在轨道上速度极快，每秒达7.6公里，仅10到15分钟就会掠过地面设备所在的天空，这意味着必须非常精确地相互对准才能传输和接收数据，也就是说是一对一的点对点通信。

因此，量子网络可能无法建成像星链那样的大规模商用全球网络，但在点对点的高度安全通信上无疑更具优势。

下一步，迈向量子互联

目前，量子卫星朝着小型化和轻量化不断发展。

在近期，德国通过马斯克旗下公司SpaceX猎鹰9号火箭成功发射了一颗3.53公斤的Qube卫星，这颗由维尔茨堡大学远程信息处理中心设计建造的小型卫星，携带了由慕尼黑路德维希马克西米利安大学、马克斯普朗克量子光学研究所和埃尔朗根-纽伦堡大学共同提供的量子密钥分发有效载荷。这一事件标志着小型卫星在地球轨道上实现全球量子密钥分发的首次尝试，具有里程碑意义。

尽管面临发射和太空操作期间极端环境的挑战，德国各机构已经在规划Qube的后续项目，包括预计于2025年发射的QUBE-2六单元立方体卫星，以及CubEnik项目的可行性研究，旨在通过两个通过旋转关节连接的立方体卫星并行跟踪两个目标以进行量子密钥传输，进一步提升量子通信的效率和安全性。

通过这些小型、高效的量子卫星，全球量子通信网络的构建将更近一步，为实现全球范围内的绝对安全通信提供坚实的基础。

“济南一号”的研究人员目前正在研究将量子密钥分发系统集成到光子芯片中，进一步缩小卫星重量和体积，便于更快捷地部署。也在探讨白天对地密钥分发的可能性，这样就可以实现全天候的安全通信服务了。这项研究的另一个方向是开发量子中继器，通过纠缠交换技术扩展量子密钥分发距离，从而突破单颗卫星的限制，实现更大范围的量子密钥分发，形成跨大气层和地面光纤的广域量子通信，为全球量子互联网铺平道路。

这些技术的集合预示着量子互联网的构建将不再遥远，而是一个即将实现的现实。通过这些创新，量子互联网将能够为全球用户提供前所未有的安全通信服务，开启一个全新的通信时代。

参考链接

[1]https://arxiv.org/abs/2408.10994

[2]https://mp.weixin.qq.com/s/Ol7qqCmYsc7ApVT39_IrKg

[3]https://news.ustc.edu.cn/info/1052/80428.htm

[4]https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%98%9F%E9%93%BE

[5]https://spacenews.com/german-cubesat-to-test-quantum-key-distribution/