中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、彭承志、廖勝凱等，聯(lián)合濟(jì)南量子技術(shù)研究院、中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所、微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院等單位組成的研究團(tuán)隊(duì)，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)量子微納衛(wèi)星與小型化、可移動(dòng)地面站之間的實(shí)時(shí)星地量子密鑰分發(fā)，在單次衛(wèi)星通過(guò)期間實(shí)現(xiàn)了多達(dá)1百萬(wàn)比特的安全密鑰共享。在此基礎(chǔ)上，聯(lián)合團(tuán)隊(duì)和南非斯坦陵布什（Stellenbosch）大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)合作，在中國(guó)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(duì)圖像數(shù)據(jù)“一次一密”加密和傳輸。該工作為實(shí)用化衛(wèi)星量子通信組網(wǎng)鋪平了道路。相關(guān)研究成果于2025年3月20日在線發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志上。
全球首顆量子微納衛(wèi)星“濟(jì)南一號(hào)”如何實(shí)現(xiàn)量子通信？對(duì)比“墨子號(hào)”，“濟(jì)南一號(hào)”在量子通信方面實(shí)現(xiàn)了哪些關(guān)鍵性突破？量子衛(wèi)星最終將如何重塑人類通信方式？小墨特別采訪了論文第一作者李楊教授。
1.請(qǐng)簡(jiǎn)單介紹量子通信原理，“濟(jì)南一號(hào)”是如何幫助實(shí)現(xiàn)量子通信的？
量子通信主要就是基于量子力學(xué)的基本原理，比如量子態(tài)的不可分割與不可克隆，可以從理論上實(shí)現(xiàn)信息傳輸?shù)?strong>無(wú)條件安全?，F(xiàn)階段最具實(shí)用價(jià)值的方向之一就是量子密鑰分發(fā)（QKD），其基本原理就是將信息編碼在單個(gè)光子的量子態(tài)（比如偏振態(tài)）上，為通信雙方生成一對(duì)安全的共享密鑰，然后再結(jié)合一次一密等加密算法來(lái)實(shí)現(xiàn)保密通信。
“濟(jì)南一號(hào)”作為一顆低軌量子微納衛(wèi)星（質(zhì)量<100kg級(jí)），本質(zhì)上就是一個(gè)在太空中的中繼節(jié)點(diǎn)，它可以突破地面光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸距離以及覆蓋范圍的限制，為廣域的、甚至是地球尺度的用戶實(shí)現(xiàn)量子密鑰的傳遞、以及經(jīng)過(guò)量子密鑰加密后的數(shù)據(jù)通信。
2.“濟(jì)南一號(hào)”作為全球首顆量子微納衛(wèi)星，它的“微納”特性帶來(lái)了哪些技術(shù)挑戰(zhàn)？是如何實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星小型化后還能保持量子通信穩(wěn)定性的？
量子微納衛(wèi)星所帶來(lái)的技術(shù)挑戰(zhàn)，主要是在確保星地量子通信性能不受影響的前提下，大幅降低包括衛(wèi)星、有效載荷及地面站的重量（<100kg）和成本。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們主要是從幾個(gè)方面進(jìn)行突破：在衛(wèi)星有效載荷方面，包括對(duì)量子密鑰分發(fā)光源，以及星上捕獲、跟蹤和瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的優(yōu)化，降低載荷的重量約一個(gè)量級(jí)；在地面，實(shí)現(xiàn)光學(xué)地面站的小型化、輕量化和快速部署，降低地面站的重量約兩個(gè)量級(jí)；同時(shí)，我們?cè)谛l(wèi)星和地面均集成了雙向的激光通信，來(lái)支持實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)處理和保密通信。
3.對(duì)比傳統(tǒng)量子衛(wèi)星“墨子號(hào)”，“濟(jì)南一號(hào)”在量子密鑰分發(fā)技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了哪些關(guān)鍵性突破？
主要是在以下幾個(gè)方面：
針對(duì)衛(wèi)星有效載荷上的量子密鑰分發(fā)光源，我們采取了基于單激光器和主動(dòng)外調(diào)制的方案，將光源的頻率提升了超過(guò)5倍，同時(shí)降低了光源的體積和重量、提升了可靠性。此外，我們也提出了一種星地協(xié)同的極化控制方案，確保了在星地動(dòng)態(tài)條件下量子態(tài)的高保真度。
針對(duì)衛(wèi)星的光傳輸載荷，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種結(jié)合衛(wèi)星姿態(tài)控制的跟瞄方案。通過(guò)將地面信標(biāo)光的探測(cè)信息納入到衛(wèi)星的姿態(tài)控制流程，顯著提升了衛(wèi)星姿態(tài)控制的精度，這樣就可以簡(jiǎn)化載荷跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，有效減少了光傳輸載荷的重量。
在對(duì)衛(wèi)星和載荷進(jìn)行優(yōu)化的同時(shí)，我們也實(shí)現(xiàn)了地面站的小型化。地面站的口徑從以往的米級(jí)縮減至現(xiàn)在的280毫米，重量也從原來(lái)的十多噸降至約100公斤。這種小型化的地面站，就不再局限于偏遠(yuǎn)地區(qū)的高山之上，而是可以便捷地部署，比如在城市高樓的樓頂?shù)任恢?，極大地提升了衛(wèi)星量子通信的實(shí)用性和靈活性。
最后，我們?cè)谛l(wèi)星和地面站中集成了雙向激光通信的模塊。在進(jìn)行量子光分發(fā)的同時(shí)，利用激光通信可以完成必要的數(shù)據(jù)后處理過(guò)程，如時(shí)間同步、基矢比對(duì)、糾錯(cuò)和隱私放大等。與以往的“墨子號(hào)”相比，我們不再需要2-3天的微波通信來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理，而是可以在衛(wèi)星過(guò)境的過(guò)程中實(shí)時(shí)地生成最終的安全密鑰，大幅提升了系統(tǒng)的效率和實(shí)用性。
4.微納衛(wèi)星的低成本特性能否加快推動(dòng)量子通信技術(shù)的民用化進(jìn)程？未來(lái)會(huì)有哪些應(yīng)用場(chǎng)景？
隨著衛(wèi)星和有效載荷成本的進(jìn)一步降低，我們希望通過(guò)批量研制和發(fā)射這種低成本量子微納衛(wèi)星形成一個(gè)低軌量子衛(wèi)星星座，結(jié)合地面大規(guī)模部署的光學(xué)地面站，來(lái)構(gòu)建出一個(gè)天地一體化的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)，從而有效滿足各類用戶的安全通信需求。
目前，衛(wèi)星量子通信主要是在政務(wù)、國(guó)防、金融等高安全要求的行業(yè)獲得應(yīng)用，為用戶提供量子安全密鑰的分發(fā)以及加密數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆?wù)。未來(lái)要實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星量子通信的民用化普及，仍然需要在技術(shù)層面繼續(xù)進(jìn)行突破，并進(jìn)一步降低衛(wèi)星和地面站的成本。
5.目前全球量子通信競(jìng)爭(zhēng)激烈，中國(guó)現(xiàn)在國(guó)際上處于什么樣的階段？具有哪些優(yōu)勢(shì)？
中國(guó)在量子通信的研究領(lǐng)域穩(wěn)居世界第一梯隊(duì)，尤其是在衛(wèi)星量子通信方面處于國(guó)際領(lǐng)跑的地位，其核心優(yōu)勢(shì)主要包括幾個(gè)方面：
a) 技術(shù)領(lǐng)先：我們國(guó)家已成功發(fā)射了量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”以及量子微納衛(wèi)星“濟(jì)南一號(hào)”，包攬了迄今為止所有已實(shí)現(xiàn)星地量子通信的型號(hào)任務(wù)，具備強(qiáng)大的技術(shù)研發(fā)與工程實(shí)現(xiàn)能力。
b) 人才優(yōu)勢(shì)：我們國(guó)家具有一批國(guó)際頂尖的量子科技專家，以及眾多高水平的研究團(tuán)隊(duì)。同時(shí)，國(guó)內(nèi)高校和科研機(jī)構(gòu)也在不斷加強(qiáng)量子科技人才培養(yǎng)。
c) 政策支持：政府也高度重視量子科技的發(fā)展，近年來(lái)也先后出臺(tái)了一系列的政策措施，從資金支持、平臺(tái)建設(shè)、項(xiàng)目攻關(guān)等方面為量子科技的發(fā)展提供了強(qiáng)有力的政策保障。
d) 產(chǎn)業(yè)協(xié)同：國(guó)內(nèi)已初步形成涵蓋從底層的量子通信設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)、再到頂層的應(yīng)用服務(wù)等環(huán)節(jié)的全產(chǎn)業(yè)鏈條，國(guó)內(nèi)企業(yè)、高校和科研機(jī)構(gòu)之間建立了良好的協(xié)同創(chuàng)新機(jī)制，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展注入了強(qiáng)勁動(dòng)力。
6.您認(rèn)為量子通信技術(shù)與經(jīng)典通信技術(shù)的共存期會(huì)有多長(zhǎng)？量子衛(wèi)星最終將如何重塑人類通信方式？
我們認(rèn)為，量子通信與經(jīng)典通信并非相互排斥，而是呈現(xiàn)出互補(bǔ)共生的關(guān)系。量子通信的核心價(jià)值在于解決通信領(lǐng)域的信息安全問(wèn)題，而非是直接替代傳統(tǒng)的通信方式，兩者將會(huì)經(jīng)歷一段較長(zhǎng)時(shí)間的深度融合、協(xié)同發(fā)展的一個(gè)過(guò)程。
前面也提到，我們希望通過(guò)批量研制和發(fā)射這種低成本量子微納衛(wèi)星，再結(jié)合地面大規(guī)模部署的光學(xué)地面站，來(lái)構(gòu)建出一個(gè)天地一體化的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)，將衛(wèi)星量子通信的服務(wù)，從政務(wù)、國(guó)防、金融等高安全要求的領(lǐng)域，進(jìn)一步向民用領(lǐng)域進(jìn)行推廣和普及，最終使得量子通信服務(wù)觸手可及，惠及廣大民眾。
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