2022年7月27日，世界首顆量子微納衛(wèi)星“濟南一號”成功發(fā)射升空，在500公里的太陽同步軌道上環(huán)繞地球旋轉已有兩年的時間。與“墨子號”相比，“濟南一號”體量更小，質量更輕，安裝使用更加靈活，同時成本更低，性能更高，具有更加廣闊的應用空間。如今，由中國科學技術大學潘建偉團隊將“濟南一號”兩年實驗積累的科技成果，以“”為題整理發(fā)表在《自然》期刊上。
無獨有偶，在“濟南一號”衛(wèi)星升空之后，德國、新加坡、以色列等國家紛紛發(fā)射了量子通信小型衛(wèi)星，用于星地量子通信的前期技術驗證和測試。近年來，量子通信已憑借高安全性的優(yōu)勢，成為科技競賽中各國爭相部署的戰(zhàn)略高地。全球量子通信，中美領跑、歐洲追趕，國際競爭水深火熱。
更小、更輕、更靈活
在“濟南一號”之前，中國科學技術大學潘建偉團隊研制的世界首顆量子通信實驗衛(wèi)星“墨子號”已在軌飛行多年，這是人類第一次在星地鏈路下驗證了量子保密通信這無條件安全的通信方式。
“濟南一號”是一顆微納衛(wèi)星，它的體量比“墨子號”小太多，它的量子密鑰分發(fā)載荷只有22.7公斤，即使算上整星，也只有約96公斤，僅是“墨子號”的六分之一，尺寸、功耗都大大減小。此外，為了進一步探索量子衛(wèi)星商業(yè)化、規(guī)?；目赡苄?，“濟南一號”的量子密鑰分發(fā)載荷沒有采用傳統(tǒng)航天的高等級（高成本）元器件，而是采用類似商業(yè)航天的低等級（低成本）元器件，與“墨子號”相比顯著降低了載荷成本。
▲“濟南一號”衛(wèi)星和地面站
除了衛(wèi)星，“濟南一號”的研究團隊還開發(fā)了更輕的便攜式地面站，每個地面站重約100公斤。這相比傳統(tǒng)的光學地面站（重量可超過13,000公斤）降低了超過2個數(shù)量級。本次實驗中，團隊為了同時測試便攜式地面站面向城市、山區(qū)等復雜場景的顯示應用，將地面站選定在武漢、合肥、濟南、南山等地區(qū)。結果表明，這些地面站的便攜性使其能夠在從城市到偏遠山區(qū)等各種具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中部署。本同步測試從為量子通信最終邁向實用化邁出了一大步。
這些地面站也配備了能夠接收來自衛(wèi)星的量子信號的望遠鏡和專用探測器。研究人員設計這些地面站以便于組裝和快速部署，只需三到五小時即可完成設置。這種靈活性使技術可供廣泛的用戶使用，應用前景廣闊。
安全通信不再“延時”
技術上，“濟南一號”的另一個重要創(chuàng)新在于，相比較于“墨子號”的微納經(jīng)典通信道，研究團隊創(chuàng)新性地使用了一個復用的雙向衛(wèi)星-地面光通信系統(tǒng)，允許同時傳輸量子密鑰和經(jīng)典數(shù)據(jù)，通過激光通信實現(xiàn)了實時密鑰提取并生成最終碼，時效性比“墨子號”提升了2-3個數(shù)量級。
▲“濟南一號”星地密鑰分發(fā)實驗示意圖
另外，“濟南一號”還采用多級加密和認證體系，有效加強了經(jīng)典通信通道的安全防護設計，為將來與現(xiàn)有的經(jīng)典通信體系無縫鏈接，實現(xiàn)天地一體化廣域量子保密通信網(wǎng)絡鋪平道路。
夜空中最亮的“量子星座”
未來的量子通信網(wǎng)絡將是怎樣的？科學家們?yōu)槲覀儤嬒肓艘惶赘踩?、更廣闊的全新通信網(wǎng)絡：由“中高軌量子衛(wèi)星+低軌量子通信衛(wèi)星星座+大規(guī)模地面光纖量子通信網(wǎng)絡”構成的實用化、完整化、全球化的空地一體廣域量子通信網(wǎng)絡體系。三者相互配合，互為補充，共同構成了夜空中最亮的“量子星座”。
▲“濟南一號”團隊實驗室照片
目前，地面上的量子骨干網(wǎng)絡正在建設中，未來，會有更多類似“京滬干線”這樣的量子骨干光纖網(wǎng)絡，覆蓋中國大部分地區(qū)，同時，也會有“短途”的城域網(wǎng)與之配合。在中高軌道衛(wèi)星方面，科研人員會針對全天時工作、大尺度覆蓋的需求，研發(fā)可以在白天進行量子密鑰分發(fā)的同步軌道衛(wèi)星。
從“墨子號”到“濟南一號”，“量子星座”中的低軌量子通信衛(wèi)星實用化目標也已逐漸構建成型。未來，計劃還要發(fā)射幾個類似的衛(wèi)星，用于搭載量子密鑰分發(fā)空間終端，布局低軌，形成星座，這樣就可以為全球各地的大量用戶提供滿足他們需求的密鑰更新服務。這些運行于低軌的衛(wèi)星，就像忠誠的“信使”，不論身處繁華都市，還是位于偏遠海島，都能始終守護大眾的信息安全。
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