世界首顆量子微納衛(wèi)星“濟(jì)南一號”

圓滿完成使命

10月17日，設(shè)計壽命為兩年的國際首顆量子微納衛(wèi)星“濟(jì)南一號”，完成了三年多的在軌任務(wù)，墜入南太平洋。這顆僅有冰柜大小、重量不足百公斤的“太空量子信使”，自 2022 年 7 月 27 日搭載“力箭一號”火箭劃破酒泉上空的那一刻起，便肩負(fù)著突破量子通信實(shí)用化瓶頸的使命。如今，它已交出了一份圓滿的答卷。

世界首顆量子微納衛(wèi)星“濟(jì)南一號”

使命的召喚：從“墨子號”到“濟(jì)南一號”的進(jìn)化之路

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。

時間回溯到2016年8月16日，“濟(jì)南一號”的前輩——世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號”在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射。此后，“墨子號”在國際上首次實(shí)現(xiàn)了星地雙向量子糾纏分發(fā)和量子力學(xué)非定域性檢驗(yàn)、從地面到衛(wèi)星的量子隱形傳態(tài)和從衛(wèi)星到地面的量子密鑰分發(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。

作為一顆低軌衛(wèi)星，“墨子號”無法直接覆蓋全球且成本較高。因此在“墨子號”的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步提升星地量子通信的傳輸效率與時效性，亟需發(fā)射多顆低成本量子微納衛(wèi)星并實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)運(yùn)行（即“量子星座”），這已成為構(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。

量子星座示意圖

要構(gòu)建量子星座，必須讓衛(wèi)星和地面站都‘瘦下來’，降低衛(wèi)星的體積重量、進(jìn)而降低發(fā)射成本，提升地面站使用的便捷性，實(shí)現(xiàn)性能的跨越式提升。然而，這一目標(biāo)在當(dāng)時的技術(shù)條件下挑戰(zhàn)極大——不僅需要將載荷重量降低一個量級，同時還要求時效性較“墨子號”提升百倍甚至千倍。

朝向這一目標(biāo)，由中國科學(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合肥國家實(shí)驗(yàn)室衛(wèi)星量子通信研究團(tuán)隊，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)時密鑰提取技術(shù)、基于衛(wèi)星姿控的高精度跟瞄等一系列關(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。在系列技術(shù)突破的基礎(chǔ)上，團(tuán)隊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。

“濟(jì)南一號”搭載 “力箭一號” 火箭升空

“濟(jì)南一號”：極致的“瘦身”藝術(shù)與性能的跨越式提升

相較于 “墨子號”，“濟(jì)南一號”實(shí)現(xiàn)了輕量化的革命性突破：其載荷重量從約250kg降至約23kg，衛(wèi)星“體重”也從635公斤降至約96公斤。得益于衛(wèi)星尺寸和重量的大幅降低，其研發(fā)和發(fā)射成本也遠(yuǎn)低于“墨子號”，而光源頻率卻提升了約6倍，密鑰生成時效性更是從數(shù)天時間縮短到單軌實(shí)時成碼的分鐘級。同時，地面站成功從 13 噸 “瘦身”到約 100 公斤，部署時間也從數(shù)月縮短至3-5小時，使其能靈敏適應(yīng)城市、山區(qū)、高原等多種復(fù)雜環(huán)境。這些變化讓衛(wèi)星量子通信首次具備了規(guī)模化推廣的條件，并向構(gòu)建實(shí)用化量子星座邁出了一大步。

左圖：固定地面站

右圖：可移動的小型化地面站

“實(shí)現(xiàn)量子和經(jīng)典通信衛(wèi)星星座的里程碑”

入軌后的 "濟(jì)南一號" 展現(xiàn)出驚人的 "戰(zhàn)斗力"。它與濟(jì)南、合肥、南山、武漢、北京、上海、南非斯坦陵布什等多地的地面光學(xué)站建立了光鏈路，并完成了實(shí)時星地量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)。星載量子誘騙態(tài)光源平均每秒發(fā)送超2.5億個信號光子，結(jié)合雙向光通信實(shí)現(xiàn)密鑰的實(shí)時提取，一次過軌對接實(shí)驗(yàn)可生成250 kbits到1Mbits的安全密鑰，平均成碼率高達(dá)3 kbps。

“濟(jì)南一號”三維模擬演示

以衛(wèi)星作為可信中繼，進(jìn)一步在相距12900公里的北京站和南非斯泰倫博斯站之間實(shí)現(xiàn)了密鑰共享和數(shù)據(jù)中繼的實(shí)驗(yàn)演示。

中國-南非“一次一密”加密傳輸?shù)膱D片

左圖：長城照片

右圖：南非斯坦陵布什大學(xué)

（Stellenbosch University）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場

該研究工作為未來發(fā)射多顆量子微納衛(wèi)星構(gòu)建“量子星座”奠定了堅實(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。

《自然》雜志審稿人稱贊該成果是 “技術(shù)上令人欽佩的成就（a technically impressive achievement）”，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（represents considerable progress towards trusted-node constellations for wide-spread satellite QKD services）”，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（shows the maturity of the satellite QKD technology and it represents a milestone for the realization of a satellite-constellation for quantum and classical communication）”。

夜空中最亮的“量子星座”

受“墨子號”和“濟(jì)南一號”成功實(shí)施的引領(lǐng)，歐美國家近年來不斷提出量子衛(wèi)星計劃，試圖追趕上我國的步伐。據(jù)《自然》期刊今年3月報道，目前國際上有大約十余顆量子衛(wèi)星正在準(zhǔn)備發(fā)射，部分公開的計劃包括：歐洲航天局（ESA）Eagle-1 量子衛(wèi)星計劃于 2025 年底至 2026 年初發(fā)射；ESA與霍尼韋爾合作開發(fā)QKDSat衛(wèi)星，宣布即將發(fā)射；波音公司計劃于2026年發(fā)射Q4S衛(wèi)星；加拿大航天局資助QEYSSat衛(wèi)星，計劃于今年發(fā)射；新加坡SpeQtral公司將開發(fā)兩顆量子通信衛(wèi)星及相應(yīng)的地面站等。全球衛(wèi)星量子通信競賽的熱潮，正是對我國空間量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)及實(shí)用化衛(wèi)星量子通信開創(chuàng)性價值的最佳注腳。

從“墨子號”到“濟(jì)南一號”，“量子星座”中的低軌量子通信衛(wèi)星實(shí)用化目標(biāo)也已逐漸構(gòu)建成型。在應(yīng)用需求的持續(xù)牽引下，“量子星座”建設(shè)正加速推進(jìn)：由三顆低軌道衛(wèi)星組成的星座已進(jìn)入研制關(guān)鍵階段，預(yù)計明年發(fā)射，將率先完成協(xié)同組網(wǎng)，初步構(gòu)建起“量子星座”雛形。衛(wèi)星入軌后將與多個地面站、地面光纖量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，逐步構(gòu)建服務(wù)電信、能源、金融等重點(diǎn)行業(yè)的量子密碼基礎(chǔ)設(shè)施，為各行各業(yè)數(shù)據(jù)安全提供堅不可摧的技術(shù)支撐。同時，具有更長過境時間——因而也具有更多量子密鑰發(fā)射量的國際上第一顆中高軌道量子衛(wèi)星也在研制之中。

未來，中高軌量子衛(wèi)星、低軌量子通信衛(wèi)星，將組成夜空中最亮的“量子星座”，并與大規(guī)模地面光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，將構(gòu)成實(shí)用化、完整化、全球化的天地一體廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)體系，共同守護(hù)通信安全。

當(dāng)夜幕降臨，仰望星空的人們或許不會留意這顆微小衛(wèi)星曾經(jīng)的軌跡，但它所守護(hù)的信息安全理念，所開辟的量子星座道路，將如同星空中的燈塔，指引著人類邁向更安全的數(shù)字未來。"濟(jì)南一號" 的使命已然完成，它點(diǎn)燃的量子星火，正在燎原。

關(guān)于量子科話

量子科話面向熱愛科學(xué)、關(guān)心科技發(fā)展的公眾，介紹量子科技領(lǐng)域重要前沿研究進(jìn)展和國內(nèi)外相關(guān)發(fā)展動態(tài)，對公眾關(guān)注的科學(xué)問題提供客觀的解讀，助力加深公眾對量子科技的認(rèn)識，感受量子世界的奧妙。

量子科話由合肥國家實(shí)驗(yàn)室和中國科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院共同主辦。