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中國科學(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)，在國際上首次實(shí)現(xiàn)微納量子衛(wèi)星與小型化、可移動地面站之間的實(shí)時(shí)星地量子密鑰分發(fā)，在單次衛(wèi)星通過期間實(shí)現(xiàn)了多達(dá)1百萬比特的安全密鑰共享。在此基礎(chǔ)上，該聯(lián)合團(tuán)隊(duì)和南非斯坦陵布什大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)合作，在中國和南非之間相隔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。

通信安全是國家信息安全和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要基礎(chǔ)?；诹孔用荑€分發(fā)的量子保密通信是迄今唯一可實(shí)現(xiàn)“信息論可證”安全的通信方式，將大幅提升現(xiàn)有信息系統(tǒng)的安全傳輸水平。目前，基于光纖鏈路的城域城際量子通信已發(fā)展成熟并初步得以應(yīng)用。為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離乃至全球化的量子保密通信，需要克服光纖存在的固有損耗以及難以覆蓋全球的問題。利用衛(wèi)星平臺進(jìn)行自由空間量子密鑰分發(fā)，能夠有效克服這些限制，實(shí)現(xiàn)全球范圍的量子保密通信。

中國科大與多家科研機(jī)構(gòu)協(xié)同攻關(guān)，在星地量子通信方面開展了一系列開創(chuàng)性研究。牽頭研制的“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星在國際上首次實(shí)現(xiàn)了星地量子密鑰分發(fā)，并與地面光纖量子保密通信骨干網(wǎng)“京滬干線”構(gòu)成首個(gè)天地一體化廣域量子保密通信網(wǎng)絡(luò)，充分驗(yàn)證了基于衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)全球化量子通信的可行性。由于“墨子號”無法直接覆蓋全球且成本較高，發(fā)射多顆低成本微納量子衛(wèi)星并實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)運(yùn)行，已成為構(gòu)建高效率、實(shí)用化、全球化量子通信網(wǎng)絡(luò)的迫切需求。

朝向這一目標(biāo)，研究團(tuán)隊(duì)成功突破了低成本小型化誘騙態(tài)量子光源技術(shù)、復(fù)合激光通信的實(shí)時(shí)密鑰提取技術(shù)、基于衛(wèi)星姿控的高精度跟瞄等關(guān)鍵技術(shù)，完成星載量子密鑰分發(fā)載荷、量子微納衛(wèi)星平臺研制，載荷重量約23千克，相比“墨子號”降低約一個(gè)數(shù)量級，光源頻率提升約6倍，密鑰生成時(shí)效性由數(shù)天時(shí)間完成提高到單軌實(shí)時(shí)成碼。在系列技術(shù)突破基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)研制的國際首顆量子微納衛(wèi)星“濟(jì)南一號”于2022年7月27日成功發(fā)射入軌。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步發(fā)展了小型化地面站系統(tǒng)，相對第一代重約13噸的地面站，重量降低了約兩個(gè)數(shù)量級達(dá)到低于100千克的水平，能夠快速部署，可適應(yīng)城市、山區(qū)、高原等各類環(huán)境，原理上已可支撐移動量子通信。

在本研究工作中，量子微納衛(wèi)星與濟(jì)南、合肥、南山、武漢、北京、上海、南非斯泰倫博斯等地面光學(xué)站建立光鏈路，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)星地量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)。星載量子誘騙態(tài)光源平均每秒發(fā)送2.5億個(gè)信號光子，結(jié)合上下行光通信實(shí)現(xiàn)密鑰的實(shí)時(shí)提取，一次過軌對接實(shí)驗(yàn)可生成250 kbits-1Mbits的安全密鑰，平均成碼率可達(dá)3 kbps。以衛(wèi)星作為可信中繼，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了地面相距12900公里北京站和南非斯泰倫博斯站之間的密鑰共享和數(shù)據(jù)中繼。

該研究工作為未來發(fā)射多顆微納衛(wèi)星構(gòu)建“量子星座”奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，不僅為大規(guī)模實(shí)用化量子通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐，更為量子互聯(lián)網(wǎng)的全球部署開辟了新的發(fā)展路徑。

相關(guān)研究成果于3月20日在線發(fā)表在《自然》雜志上。審稿人稱贊該成果是?“技術(shù)上令人欽佩的成就”，代表了“基于可信節(jié)點(diǎn)量子星座提供廣域衛(wèi)星量子密鑰分發(fā)服務(wù)的長足進(jìn)步”，并“展示了衛(wèi)星量子密鑰分發(fā)技術(shù)的成熟，代表了實(shí)現(xiàn)量子和經(jīng)典通信衛(wèi)星星座的里程碑”。

研究工作得到科學(xué)技術(shù)部、中國科學(xué)院、國家自然科學(xué)基金委員會、安徽省、山東省、上海市等的支持。

論文鏈接

量子微納衛(wèi)星“濟(jì)南一號”星地量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)示意圖

中國-南非“一次一密”加密傳輸?shù)拈L城圖片和南非斯泰倫博斯大學(xué)（Stellenbosch University）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場