世界首顆量子微納衛星“濟南一號”圓滿完成使命

世界首顆量子微納衛星“濟南一號”

圓滿完成使命

10月17日，設計壽命為兩年的國際首顆量子微納衛星“濟南一號”，完成了三年多的在軌任務，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，便肩負著突破量子通信實用化瓶頸的使命。如今，它已交出了一份圓滿的答卷。

世界首顆量子微納衛星“濟南一號”

使命的召喚：從“墨子號”到“濟南一號”的進化之路

通信安全是國家信息安全和經濟社會發展的重要基礎。基于量子密鑰分發的量子保密通信是迄今唯一可實現“信息論可證”安全的通信方式，將大幅提升現有信息系統的安全傳輸水平。目前，基于光纖鏈路的城域城際量子通信已發展成熟并初步得以應用。為實現遠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。利用衛星平臺進行自由空間量子密鑰分發，能夠有效克服這些限制，實現全球范圍的量子保密通信。

時間回溯到2016年8月16日，“濟南一號”的前輩——世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”在酒泉衛星發射中心發射。此后，“墨子號”在國際上首次實現了星地雙向量子糾纏分發和量子力學非定域性檢驗、從地面到衛星的量子隱形傳態和從衛星到地面的量子密鑰分發，并與地面光纖量子保密通信骨干網“京滬干線”構成首個天地一體化廣域量子保密通信網絡，充分驗證了基于衛星實現全球化量子通信的可行性。

作為一顆低軌衛星，“墨子號”無法直接覆蓋全球且成本較高。因此在“墨子號”的基礎上，為進一步提升星地量子通信的傳輸效率與時效性，亟需發射多顆低成本量子微納衛星并實現組網運行（即“量子星座”），這已成為構建高效率、實用化、全球化量子通信網絡的迫切需求。

量子星座示意圖

要構建量子星座，必須讓衛星和地面站都‘瘦下來’，降低衛星的體積重量、進而降低發射成本，提升地面站使用的便捷性，實現性能的跨越式提升。然而，這一目標在當時的技術條件下挑戰極大——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，由中國科學技術大學潘建偉、彭承志、廖勝凱等，聯合濟南量子技術研究院、中國科學院上海技術物理研究所、微小衛星創新研究院等單位組成的合肥國家實驗室衛星量子通信研究團隊，成功突破了低成本小型化誘騙態量子光源技術、復合激光通信的實時密鑰提取技術、基于衛星姿控的高精度跟瞄等一系列關鍵技術，完成星載量子密鑰分發載荷、量子微納衛星平臺研制。在系列技術突破的基礎上，團隊研制的國際首顆量子微納衛星“濟南一號”于2022年7月27日成功發射入軌。

“濟南一號”搭載 “力箭一號” 火箭升空

“濟南一號”：極致的“瘦身”藝術與性能的跨越式提升

相較于 “墨子號”，“濟南一號”實現了輕量化的革命性突破：其載荷重量從約250kg降至約23kg，衛星“體重”也從635公斤降至約96公斤。得益于衛星尺寸和重量的大幅降低，其研發和發射成本也遠低于“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天時間縮短到單軌實時成碼的分鐘級。同時，地面站成功從 13 噸 “瘦身”到約 100 公斤，部署時間也從數月縮短至3-5小時，使其能靈敏適應城市、山區、高原等多種復雜環境。這些變化讓衛星量子通信首次具備了規模化推廣的條件，并向構建實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

“實現量子和經典通信衛星星座的里程碑”

入軌后的 "濟南一號" 展現出驚人的 "戰斗力"。它與濟南、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站建立了光鏈路，并完成了實時星地量子密鑰分發實驗。星載量子誘騙態光源平均每秒發送超2.5億個信號光子，結合雙向光通信實現密鑰的實時提取，一次過軌對接實驗可生成250 kbits到1Mbits的安全密鑰，平均成碼率高達3 kbps。

“濟南一號”三維模擬演示

以衛星作為可信中繼，進一步在相距12900公里的北京站和南非斯泰倫博斯站之間實現了密鑰共享和數據中繼的實驗演示。

中國-南非“一次一密”加密傳輸的圖片

左圖：長城照片

右圖：南非斯坦陵布什大學

（Stellenbosch University）實驗現場

該研究工作為未來發射多顆量子微納衛星構建“量子星座”奠定了堅實基礎，不僅為大規模實用化量子通信網絡的建設提供了關鍵技術支撐，更為量子互聯網的全球部署開辟了新的發展路徑。

《自然》雜志審稿人稱贊該成果是 “技術上令人欽佩的成就（a technically impressive achievement）”，代表了“基于可信節點量子星座提供廣域衛星量子密鑰分發服務的長足進步（represents considerable progress towards trusted-node constellations for wide-spread satellite QKD services）”，并“展示了衛星量子密鑰分發 技術的成熟，代表了實現量子和經典通信衛星星座的里程碑（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“濟南一號”成功實施的引領，歐美國家近年來不斷提出量子衛星計劃，試圖追趕上我國的步伐。據《自然》期刊今年3月報道，目前國際上有大約十余顆量子衛星正在準備發射，部分公開的計劃包括：歐洲航天局（ESA）Eagle-1 量子衛星計劃于 2025 年底至 2026 年初發射；ESA與霍尼韋爾合作開發QKDSat衛星，宣布即將發射；波音公司計劃于2026年發射Q4S衛星；加拿大航天局資助QEYSSat衛星，計劃于今年發射；新加坡SpeQtral公司將開發兩顆量子通信衛星及相應的地面站等。全球衛星量子通信競賽的熱潮，正是對我國空間量子科學實驗及實用化衛星量子通信開創性價值的最佳注腳。

從“墨子號”到“濟南一號”，“量子星座”中的低軌量子通信衛星實用化目標也已逐漸構建成型。在應用需求的持續牽引下，“量子星座”建設正加速推進：由三顆低軌道衛星組成的星座已進入研制關鍵階段，預計明年發射，將率先完成協同組網，初步構建起“量子星座”雛形。衛星入軌后將與多個地面站、地面光纖量子密鑰分發網絡互聯，逐步構建服務電信、能源、金融等重點行業的量子密碼基礎設施，為各行各業數據安全提供堅不可摧的技術支撐。同時，具有更長過境時間——因而也具有更多量子密鑰發射量的國際上第一顆中高軌道量子衛星也在研制之中。

未來，中高軌量子衛星、低軌量子通信衛星，將組成夜空中最亮的“量子星座”，并與大規模地面光纖量子通信網絡相結合，將構成實用化、完整化、全球化的天地一體廣域量子通信網絡體系，共同守護通信安全。

當夜幕降臨，仰望星空的人們或許不會留意這顆微小衛星曾經的軌跡，但它所守護的信息安全理念，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字未來。"濟南一號" 的使命已然完成，它點燃的量子星火，正在燎原。