《Nature》| 我国首次实现上万公里星地量子通信

国盾量子作为参与单位之一，为实验提供了星地量子密钥分发地面接收端——小型化、可移动量子卫星地面站，协同微纳量子卫星完成多次实时星地量子密钥分发、密钥中继和数据中继任务。

基于量子密钥分发的量子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。基于光纤链路的城域城际量子通信已发展成熟并初步应用。实现远距离乃至全球化的量子通信，需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，能有效克服这些限制，实现全球范围的量子通信。

中国科大与多家科研机构协同攻关，在星地量子通信方面开展了系列开创性研究。其牵头研制的“墨子号”量子科学实验卫星，在国际上首次实现了星地量子密钥分发，并与“京沪干线”构成首个天地一体化广域量子保密通信网络，充分验证了基于卫星实现全球化量子通信的可行性。

由于“墨子号”量子卫星无法直接覆盖全球且成本较高，发射多颗低成本量子微纳卫星并实现组网运行，已成为构建高效率、实用化、全球化量子保密通信网络的迫切需求。

朝向这一目标，研究团队成功突破低成本小型化诱骗态量子光源技术、复合激光通信的实时密钥提取技术、基于卫星姿控的高精度跟瞄等关键技术，完成星载量子密钥分发载荷、量子微纳卫星平台研制，载荷重量约23kg，相比“墨子号”降低约一个数量级，光源频率提升约6倍，密钥生成时效性由数天时间完成提高到单轨实时成码。在此基础上，团队研制的国际首颗量子微纳卫星“济南一号”于2022年成功发射入轨。

研究团队进一步发展了小型化地面站系统，相对第一代重约13吨的地面站，重量降低了约两个数量级达到低于100kg的水平，能够快速部署，可适应城市、山区、高原等各类环境，原理上已可支撑移动量子通信。

此次工作中，量子微纳卫星与济南、合肥、南山、武汉、北京、上海、南非斯坦陵布什等地面光学站建立光链路，实现实时星地量子密钥分发实验。星载量子诱骗态光源平均每秒发送2.5亿个信号光子，结合上下行光通信实现密钥的实时提取，一次过轨对接实验可生成250 kbits-1Mbits的安全密钥，平均成码率可达3 kbps。

以卫星作为可信中继，研究团队进一步实现了地面相距12900km北京站和南非斯坦陵布什站之间的密钥共享和数据中继。

量子微纳卫星“济南一号”星地量子密钥分发实验示意图

中国-南非“一次一密”加密传输的图片

该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保密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路径。

《自然》杂志审稿人称赞该成果是 “技术上令人钦佩的成就”，代表了“基于可信节点量子星座提供广域卫星量子密钥分发服务的长足进步”，并“展示了卫星量子密钥分发技术的成熟，代表了实现量子和经典通信卫星星座的里程碑”。《自然》杂志还以“向长距离安全量子通信的现实飞跃”为题配发研究简报进行报道。《自然》播客、著名科学杂志英国《新科学家》等也对该工作进行了专题报道。

从世界首颗量子科学实验卫星“墨子号“到世界首颗量子微纳卫星，国盾量子多年来持续参与星地对接实验。随着量子卫星低成本、小型化、密钥分发与提取技术持续突破，公司成功完成了量子卫星地面站性能、体积、成本上的优化升级。

未来，国盾量子继续推进量子卫星地面站等量子通信设备的小型化、集成化，构建高密度、低成本的“量子星座”地面接收矩阵，推动地面光纤量子保密通信网络建设，助力我国构建低成本、实用化的天地一体广域量子保密通信网络。