近日，由中国科学技术大学、中国科学院和科大国盾量子技术股份有限公司等单位组成的团队在实现实时空对地安全通信取得了重要突破。该团队通过技术创新将量子卫星的重量大幅缩减至23公斤，成功开发了名为“济南一号”的微型卫星，这不仅减轻了卫星的负担，还通过其便携式地面站实现了实时的空对地安全通信，为构建全球量子网络奠定了基础。
“济南一号”于2022年7月被发射到500公里的太阳同步轨道上，这一里程碑事件标志着量子通信技术在实际应用方面取得了显著进展。在轨道上，“济南一号”展示了其卓越的能力，能够在空间站和地面站之间安全地共享量子密钥，证明了量子通信在保障信息传输安全方面的高效性和可靠性。
相关论文以《Microsatellite-based real-time quantum key distribution》为题于8月20日发表在arXiv上。除中国科学技术大学、中国科学院和科大国盾量子技术股份有限公司外，其他主要贡献者包括合肥国家微尺度物理科学研究中心、上海量子科学研究中心、中国科学院量子信息与量子物理卓越创新中心、合肥国家实验室、空间有源光电子技术重点实验室、上海技术物理研究所、中国科学院微小卫星创新研究院、济南量子技术研究院、国科量子通信网络有限公司和北京电子科技学院。
量子网络提供了一种基础设施，将量子设备连接起来，具有革命性的计算、传感和通信能力。作为量子网络最知名的应用，量子密钥分发（QKD）通过量子力学的法律保证安全的密钥共享。量子卫星星座为全球范围内的量子网络提供了解决方案。尽管墨子卫星已经验证了卫星量子通信的可行性，要但扩大量子卫星星座的规模，需要解决包括小型化、轻量化以及实时密钥交换在内的多项挑战。
为了解决以上挑战，研究团队开发出一种量子微卫星，能够使用便携式地面站进行空间到地面的量子密钥分发该量子微卫星的有效载荷重约23公斤。相比于墨子卫星，质量减少了一个数量级。
除了卫星，研究团队还开发了便携式地面站，每个地面站重约100公斤。这相比传统的光学地面站（重量可超过13,000公斤）有了显著减少。这些地面站的便携性使其能够在各种具有挑战性的环境中部署，从城市到偏远山区。在军事应用方面，100公斤大约是一个士兵的全套作战装备的重量，这为不断穿越崎岖地形的军队使用提供了可能性。
这些地面站配备了能够接收来自卫星的量子信号的望远镜和专用探测器。研究人员设计这些地面站以便于组装和快速部署，只需三到五小时即可完成设置。这种灵活性使技术可供广泛的用户使用，包括政府、企业、武装力量和科学机构。
研究中报告的最重要成就之一是能够进行实时安全通信。研究团队实施了一个复用的双向卫星-地面光通信系统，允许同时传输量子密钥和经典数据。该设置使研究人员能够在一次卫星经过期间实现密钥提取——这是生成安全加密密钥的关键过程——在一次操作中共享了最多59万位的安全密钥。
研究中的关键技术创新包括使用单一激光二极管构建的625-MHz QKD光源、高精度的卫星姿态控制跟踪技术，以及与量子通信相结合的双向卫星-地面光学通信。这些技术的结合不仅提高了系统的集成度和实用性，而且通过激光通信实现了实时的安全密钥蒸馏和安全通信，显著提高了密钥分发的时效性。此外，研究人员还采用了特殊的极化补偿方法来保证量子光子在传输过程中的极化状态不变，从而确保了量子通信的可靠性。
卫星-地面通信得以实现，得益于高精度的跟踪系统，该系统在密钥传输过程中保持卫星和地面站的完美对准。该系统结合了卫星姿态控制和先进光学技术，以维持卫星有效载荷与地面站望远镜之间的精确链接。紧凑的量子有效载荷可以方便地组装在现有的空间站或小型卫星上，为基于卫星星座的量子和经典网络在广泛实际应用中铺平了道路。
这次的突破得益于中国此前在量子卫星领域的技术积累。在此之前，中国的科学家就已经发射了“墨子号”安全卫星。“墨子号”安全卫星的重量为631公斤，在全球首次实现了超过1200公里的量子密钥分发，为科学界带来了重大突破。
中国在量子卫星通信领域取得的突破性进展始于2003年，当时中国科学家首次提出了量子卫星通信的构想。经过14年的不懈努力，中国科学家团队在潘建伟院士的带领下，从跟跑、并跑到领跑，实现了从理念到实践的飞跃。2017年，“墨子号”量子科学实验卫星的成功发射，标志着中国在全球量子通信领域迈出了重要一步，构建了初步的“天地一体化”量子保密通信体系。
“墨子号”的研发过程充满挑战，从最初的实验室研究到最终的卫星发射，中国科学家们克服了重重困难。在潘建伟院士的领导下，中国科学技术大学的研究团队在量子物理与量子信息领域取得了一系列重要成果。他们不仅在理论研究上取得了突破，更将这些理论成果转化为实际应用，实现了量子通信技术的实用化。“墨子号”的成功发射和运行，展示了中国在量子通信技术领域的领先地位，为全球量子网络的构建提供了坚实的基础。
