中国科技大学科研团队实现了星地量子密钥分发的新突破

潘建伟、彭承志、廖胜凯等中国科学技术大学与济南量子技术研究院、中国科学院上海科技物理研究所、微型卫星创新研究所等单位组成的研究团队首次实现了量子微纳卫星与可移动地面站之间的实时量子密钥分发，在单颗卫星通过期间实现了多达100万比特的安全密钥共享。在此基础上，联合团队和南非斯坦陵布什(Stellenbosch)在中国和南非之间12900多公里的距离上，大学科研团队建立了量子密钥，完成了图像数据的“一次一密”加密和传输。这项工作为实用卫星量子通信网络铺平了道路。相关研究成果于2025年3月20日在国际学术期刊《自然》杂志上发表。

通信安全是国家信息安全和经济社会发展的重要基础。量子保密通信以量子密钥分发为基础，是迄今为止唯一能够实现“信息论证”安全的通信方式，将大大提高现有信息系统的安全传输水平。目前，基于光纤链路的城市城际量子通信已经成熟并初步应用。为了实现远程甚至全球化的量子保密通信，有必要克服光纤的固有损失和难以覆盖全球的问题。利用卫星平台分发自由空间量子密钥，可以有效克服这些限制，实现全球量子保密通信。

中国科技大学与多家科研机构合作攻关，在星地量子通信方面进行了一系列开创性研究。由中国科技大学牵头的“墨子”量子科学实验卫星首次实现了星地量子密钥的国际分发，并与地面光纤量子保密通信骨干网“京沪干线”形成了第一个天地一体化的广域量子保密通信网络，充分验证了基于卫星实现全球量子通信的可行性。由于“墨子”量子卫星无法直接覆盖世界，成本较高，因此迫切需要发射多颗低成本量子微纳卫星并实现网络运行，这已成为一种高效实用的量子通信

为了实现这一目标，研究团队成功突破了低成本小型化诱导态量子光源技术、复合激光通信实时密钥提取技术、基于卫星姿势控制的高精度跟踪和瞄准等关键技术，完成了星载量子密钥配送负载和量子微纳卫星平台的开发。与“墨子”相比，负载重量减少了约一个数量级，光源频率增加了约6倍，密钥生成的及时性从几天提高到单轨实时成码。在一系列技术突破的基础上，2022年7月27日，团队开发的第一颗国际量子微纳卫星“济南一号”成功发射成功

在这项研究中，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了光学链接，实现了星地量子密钥实时分发实验。星载量子诱导光源平均每秒发送2.5亿个信号光子。结合上下光通信，可实时提取密钥。通过轨道对接实验可生成250kbits-1mbits的安全密钥，平均密码率可达3kbps。研究团队进一步实现了地面距离12900公里的北京站与南非斯坦陵布什站之间的密钥共享。