世界首颗量子微纳卫星“济南一号”交出完美答卷

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10月17日，设计寿命两年的国际首颗量子微纳卫星“济南一号”，完成了三年多的在轨任务，坠入南太平洋。这颗重量约23公斤的“太空量子信使”，自2022年7月27日搭乘“力箭一号”火箭划破酒泉上空的那一刻起，便肩负着突破量子通信实用化瓶颈的使命。如今，它已交出了一份完美的答卷。

世界首颗量子微纳卫星“济南一号”
从“墨子号”到“济南一号”
通信安全是国家信息安全和经济社会发展的重要基础。基于量子密钥分发的量子保密通信是迄今唯一可实现“信息论可证”安全的通信方式，将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发展成熟并初步得以应用。
为实现远距离乃至全球化的量子保密通信，需要克服光纤存在的固有损耗以及难以覆盖全球的问题。利用卫星平台进行自由空间量子密钥分发，能够有效克服这些限制，实现全球范围的量子保密通信。
时间回溯到2016年8月16日，“济南一号”的前辈——世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”在酒泉卫星发射中心升空。此后，“墨子号”在国际上首次实现星地双向量子纠缠分发和量子力学非定域性检验、从地面到卫星的量子隐形传态和从卫星到地面的量子密钥分发，并与地面光纤量子保密通信骨干网“京沪干线”构成首个天地一体化广域量子保密通信网络，充分验证基于卫星实现全球化量子通信的可行性。

量子星座示意图
作为一颗低轨卫星，“墨子号”无法直接覆盖全球。因此，在“墨子号”基础上，为进一步提升星地量子通信的传输效率与时效性，亟须发射多颗低成本量子微纳卫星即“量子星座”并实现组网运行，这成为构建高效率、实用化、全球化量子通信网络的迫切需求。
朝着这一目标，由中国科学技术大学潘建伟、彭承志、廖胜凯等科研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，组成合肥国家实验室卫星量子通信研究团队，成功突破了一系列关键技术，完成星载量子密钥分发载荷、量子微纳卫星平台研制。在此期间，济南量子技术研究院深度参与了卫星载荷的研发工作，为“济南一号”的成功提供了关键技术支撑。
在系列技术突破的基础上，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。

“济南一号”搭载“力箭一号”火箭升空
性能实现跨越式提升
相较“墨子号”，“济南一号”实现了轻量化的革命性突破，其载荷重量从“墨子号”的约250公斤降至约23公斤。
得益于卫星尺寸和重量的大幅降低，其研发和发射成本也远低于“墨子号”，而光源频率却提升了约6倍，密钥生成时效性更是从数天时间缩短到单轨实时成码的分钟级。

固定地面站

可移动的小型化地面站
同时，济南量子技术研究院研发的新型小型化量子卫星地面站，成功从13吨“瘦身”到约100公斤，部署时间也从数月缩短至3-5小时，使其能灵敏适应城市、山区、高原等多种复杂环境，并且能够与“济南一号”完成实时量子密钥分发。这些变化让卫星量子通信首次具备了规模化推广的条件，并向构建实用化量子星座迈出了一大步。

中国-南非“一次一密”加密传输的图片(左图为长城照片，右图为南非斯坦陵布什大学实验现场)
入轨后的“济南一号”展现出惊人的“战斗力”。它与济南、合肥、武汉、北京、上海及南非斯坦陵布什等地的地面光学站建立了光链路，并完成了实时星地量子密钥分发实验。这项研究工作为未来发射多颗量子微纳卫星构建“量子星座”奠定了坚实基础，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。
量子星火正在燎原
受“墨子号”和“济南一号”成功实施的引领，欧美国家近年来不断提出量子卫星计划，试图追赶上我国的步伐。据《自然》期刊今年3月报道，目前国际上有十余颗量子卫星正在准备发射。全球卫星量子通信竞赛的热潮，正是对我国空间量子科学实验及实用化卫星量子通信开创性价值的最佳注脚。
从“墨子号”到“济南一号”，“量子星座”中的低轨量子通信卫星实用化目标也已逐渐构建成型。在应用需求的持续牵引下，“量子星座”建设正加速推进：由三颗低轨道卫星组成的星座已进入研制关键阶段，预计明年发射，将率先完成协同组网，初步构建起“量子星座”雏形。卫星入轨后将与多个地面站、地面光纤量子密钥分发网络互联，逐步构建服务电信、能源、金融等重点行业的量子密码基础设施，为各行各业数据安全提供坚实的技术支撑。
在济南，通过小型化量子卫星地面站，量子通信卫星能够与“济南党政机关量子通信专网”“济南量子通信试验网”以及“济青干线”等本地量子通信网络互联互通，构建星地一体化量子通信网络，实现从卫星到地面城市网络的无缝衔接，为区域量子通信应用提供示范。
未来，中高轨量子卫星、低轨量子通信卫星，将组成夜空中最亮的“量子星座”，并与大规模地面光纤量子通信网络相结合，将构成实用化、完整化、全球化的天地一体广域量子通信网络体系，共同守护通信安全。（济南日报·爱济南记者 韩霄鹏）
来源：济南日报·爱济南

lovejuan0104

最让我期待的是量子通信如何“飞入寻常百姓家”。也许未来我们手机银行转账、个人隐私数据传输的背后，都有量子密钥在保驾护航。虽然现在感觉离生活还有点远，但就像当年的互联网一样，一旦基础设施建成，带来的安全变革将是颠覆性的。

ycp123

“卫星覆盖广”加上“光纤稳定高速”，这个“星地一体”的思路非常棒！相当于构建了一个立体、无缝的安全通信高速公路网。挑战可能在于如何实现不同网络之间高效、稳定的切换和管理，以及如何降低整个系统的建设和维护成本。

华语天空

地面站的小型化意义不亚于卫星本身的轻量化！这意味着接收终端可以快速部署在偏远地区、移动平台（如舰船、车辆）甚至紧急救援现场，极大地扩展了量子通信的应用范围。让量子安全网络变得像Wi-Fi一样灵活可及，这才是实现规模化应用的关键一环。

—じ☆ve人生—

量子星座何时全球覆盖？

ress

上次去济南出差看到他们用那个小型地面站搞量子通信测试，100公斤的设备3小时就架好了，比以前那13吨的大家伙灵活太多，真给国产技术长脸

meto

中国只有不断的创新科技，中国才会生生不息，永远充满生机活力。加强高科技人才的培养与投入，促进中国科研事业高质量的发展，更具有竞争力。创建世界一流的航天航空科技强国而奋斗。

kingfirefly

@元宝 结合全球量子卫星发展情况，分析‘济南一号’在国际上的领先地位，以及欧美国家的追赶进展和未来可能的竞争格局。

walysj

卫星量子密钥分发突破了光纤距离限制，可以在全球范围内实现“一次一密”的保密通信，这对金融、电信甚至政务安全都是底层技术升级。

mulunbo

小型化地面站从13吨瘦身到100公斤，部署时间缩短到3-5小时，让山区、海岛也能快速接入星地量子密钥网络，应用场景扩展很多。