中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在量子通信領(lǐng)域取得了重大突破。由該校的潘建偉、彭承志、廖勝凱等科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)，攜手濟(jì)南量子技術(shù)研究院、中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所及微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院等單位的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)，成功實(shí)現(xiàn)了量子微納衛(wèi)星與小型化、便攜式地面站之間的實(shí)時(shí)星地量子密鑰分發(fā)。
這一創(chuàng)新成果標(biāo)志著，在一次衛(wèi)星過境期間，研究團(tuán)隊(duì)成功共享了多達(dá)1百萬比特的安全密鑰。這一技術(shù)突破不僅展示了量子通信技術(shù)的巨大潛力，更為構(gòu)建全球化的量子通信網(wǎng)絡(luò)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
在上述研究的基礎(chǔ)上，該聯(lián)合團(tuán)隊(duì)還與南非斯坦陵布什大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)攜手，跨越12900多公里的距離，在中國與南非之間建立了量子密鑰，并成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)圖像數(shù)據(jù)的“一次一密”加密傳輸。這一成就進(jìn)一步驗(yàn)證了量子通信技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的可行性和可靠性。
量子通信以其獨(dú)特的安全性，被視為提升國家信息安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平的關(guān)鍵技術(shù)。基于量子密鑰分發(fā)的量子保密通信，是目前唯一能夠?qū)崿F(xiàn)“信息論可證”安全的通信方式。然而，要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離乃至全球化的量子保密通信，必須克服光纖損耗和覆蓋范圍的限制。利用衛(wèi)星平臺(tái)進(jìn)行自由空間量子密鑰分發(fā)，成為了解決這一難題的有效途徑。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)在此領(lǐng)域的研究歷史深遠(yuǎn)。此前，由該校牽頭研制的“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，已在全球首次實(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”共同構(gòu)成了首個(gè)天地一體化廣域量子保密通信網(wǎng)絡(luò)。然而，“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星無法直接覆蓋全球且成本高昂，因此發(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，成為了構(gòu)建高效、實(shí)用、全球化量子通信網(wǎng)絡(luò)的迫切需求。
為了滿足這一需求，研究團(tuán)隊(duì)在關(guān)鍵技術(shù)上取得了重大突破。他們成功研發(fā)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)，以及基于衛(wèi)星姿控的高精度跟瞄技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，他們完成了星載量子密鑰分發(fā)載荷和量子微納衛(wèi)星平臺(tái)的研制工作。載荷重量僅為約23公斤，相比“墨子號(hào)”降低了約一個(gè)數(shù)量級(jí)，光源頻率則提升了約6倍，密鑰生成的時(shí)效性也得到了顯著提高。
2022年7月27日，團(tuán)隊(duì)研制的國際首顆量子微納衛(wèi)星“濟(jì)南一號(hào)”成功發(fā)射入軌。隨后，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步發(fā)展了小型化地面站系統(tǒng)，重量降低至低于100公斤的水平，能夠快速部署并適應(yīng)各種環(huán)境。這一系統(tǒng)原理上已能夠支持移動(dòng)量子通信。
在本研究中，量子微納衛(wèi)星與濟(jì)南、合肥、南山、武漢、北京、上海以及南非斯坦陵布什等地的地面光學(xué)站建立了光鏈路，并成功實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)星地量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)。星載量子誘騙態(tài)光源每秒發(fā)送約2.5億個(gè)信號(hào)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(duì)接實(shí)驗(yàn)即可生成250kbits至1Mbits的安全密鑰，平均成碼率可達(dá)3kbps。
以衛(wèi)星作為可信中繼，研究團(tuán)隊(duì)還成功實(shí)現(xiàn)了地面相距12900公里的北京站和南非斯坦陵布什站之間的密鑰共享和數(shù)據(jù)中繼。這一研究成果不僅為大規(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。
