濟(jì)南量子技術(shù)研究院聯(lián)合中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、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研究團(tuán)隊，在國際上首次實現(xiàn)“濟(jì)南一號”微納量子衛(wèi)星與小型化、可移動地面站之間的實時星地量子密鑰分發(fā)，在單次衛(wèi)星通過期間實現(xiàn)多達(dá)100萬比特的安全密鑰共享。在此基礎(chǔ)上，聯(lián)合團(tuán)隊和南非斯坦陵布什大學(xué)科研團(tuán)隊合作，在中非之間12900多公里的距離上建立量子密鑰，完成對圖像數(shù)據(jù)“一次一密”加密和傳輸。該工作為實用化衛(wèi)星量子通信組網(wǎng)鋪平道路。相關(guān)研究成果于2025年3月20日在線發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志上。

衛(wèi)星部分載荷濟(jì)南研發(fā)

小型化地面站部署助力可移動量子通信

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)。基于量子密鑰分發(fā)的量子保密通信是迄今唯一可實現(xiàn)“信息論可證”安全的通信方式，可大幅提升現(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)展成熟并初步得到應(yīng)用，而遠(yuǎn)距離乃至全球化的量子保密通信，還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)，能有效克服這些限制，實現(xiàn)全球范圍的量子保密通信。

研究院與多家科研機(jī)構(gòu)協(xié)同攻關(guān)，在星地量子通信方面開展了一系列開創(chuàng)性研究。2017年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)牽頭研制的“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星在國際上首次實現(xiàn)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”構(gòu)成首個天地一體化廣域量子保密通信網(wǎng)絡(luò)，充分驗證了基于衛(wèi)星實現(xiàn)全球化量子通信的可行性。由于“墨子號”量子衛(wèi)星無法直接覆蓋全球且成本較高，發(fā)射多顆低成本微納量子衛(wèi)星并實現(xiàn)組網(wǎng)運行，成為構(gòu)建高效率、實用化、全球化量子通信網(wǎng)絡(luò)的迫切需求。

朝著這一目標(biāo)，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)合激光通信的實時密鑰提取技術(shù)、基于衛(wèi)星姿控的高精度跟瞄等關(guān)鍵技術(shù)，并完成星載量子密鑰分發(fā)載荷、量子微納衛(wèi)星平臺研制。量子微納衛(wèi)星載荷重量約23kg，比“墨子號”降低約一個數(shù)量級，光源頻率提升約6倍，密鑰生成時效性由數(shù)天時間完成提高到單軌實時成碼。2022年7月27日，國際首顆量子微納衛(wèi)星“濟(jì)南一號”成功發(fā)射入軌，部分載荷器件由研究院負(fù)責(zé)研發(fā)。

圖為部署在研究院科研樓頂?shù)男⌒突�地面�?/span>

早在2019年，研究院團(tuán)隊就啟動小型化量子通信衛(wèi)星地面站系統(tǒng)項目。2019年12月30日23時31分至39分，部署在研究院樓頂?shù)男l(wèi)星地面站與“墨子號”對接測試成功，這標(biāo)志著我國首個小型化可移動量子衛(wèi)星地面站在濟(jì)南建設(shè)完成。此后，科研人員繼續(xù)推動量子衛(wèi)星地面站的小型化研究。完成此次實時星地量子密鑰分發(fā)的一臺衛(wèi)星地面站就部署在研究院的樓頂，重量僅100kg，而首代地面站重達(dá)13噸。這款新型衛(wèi)星地面站系統(tǒng)適應(yīng)城市、山區(qū)、高原等各類環(huán)境，能夠快速部署，原理上已可支撐移動量子通信。

在12900公里距離實現(xiàn)量子密鑰分發(fā)

為構(gòu)建“量子星座”奠定堅實基礎(chǔ)

在本研究工作中，“濟(jì)南一號”量子微納衛(wèi)星與濟(jì)南、合肥、南山、武漢、北京、上海、南非斯泰倫博斯等地面光學(xué)站建立光鏈路，實現(xiàn)實時星地量子密鑰分發(fā)實驗。星載量子誘騙態(tài)光源平均每秒發(fā)送2.5億個信號光子，結(jié)合上下行光通信實現(xiàn)密鑰的實時提取，一次過軌對接實驗可生成250kbits-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)隊進(jìn)一步實現(xiàn)了地面相距12900公里的北京站和南非斯泰倫博斯站之間的密鑰共享和數(shù)據(jù)中繼。

圖為量子微納衛(wèi)星“濟(jì)南一號”星地量子密鑰分發(fā)實驗示意圖

圖為中國—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）實驗現(xiàn)場

該研究工作為未來發(fā)射多顆微納衛(wèi)星構(gòu)建“量子星座”奠定了堅實基礎(chǔ)，不僅為大規(guī)模實用化量子通信網(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”，代表了“基于可信節(jié)點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”，并“展示了衛(wèi)星量子密鑰分發(fā) 技術(shù)的成熟，代表了實現(xiàn)量子和經(jīng)典通信衛(wèi)星星座的里程碑”�！蹲匀弧冯s志還以“向長距離安全量子通信的現(xiàn)實飛躍”為題配發(fā)研究簡報進(jìn)行報道，《自然》播客、著名科學(xué)雜志英國《新科學(xué)家》等也對該工作進(jìn)行了專題報道。

量子科技“濟(jì)南力量”凸顯

實用化量子通信技術(shù)全球領(lǐng)先

近年來，濟(jì)南市積極布局量子科技這一未來產(chǎn)業(yè)，濟(jì)南高新區(qū)建設(shè)5.2萬平方米的“三樓一體”產(chǎn)業(yè)載體，專門支持量子產(chǎn)業(yè)發(fā)展，量子科技的“濟(jì)南力量”日益凸顯。

截至目前，國家實驗室濟(jì)南基地落地，承接重大科學(xué)任務(wù)；國內(nèi)唯一、國際首個量子計算與測量領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會（SAC/TC 578）獲批，支撐山東成為世界量子信息標(biāo)準(zhǔn)化的核心陣地；工信部“國家5G應(yīng)用安全創(chuàng)新推廣中心”落地濟(jì)南，探索量子密鑰服務(wù)、量子密鑰加密帶寬服務(wù)的商業(yè)模式，推進(jìn)量子通信技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)生態(tài)穩(wěn)步形成。全市集聚量子信息及相關(guān)企業(yè)30余家，從業(yè)人員達(dá)到800余人，總市值超過50億元，在實用化量子通信技術(shù)研究和量子通信產(chǎn)業(yè)化方面處于世界領(lǐng)先地位。

2022年成功發(fā)射的全球首顆量子微納衛(wèi)星以“濟(jì)南”命名；2023年底，濟(jì)南市量子信息產(chǎn)業(yè)集群入選省級未來產(chǎn)業(yè)集群；本月初，“祖沖之三號”刷新量子計算優(yōu)越性世界紀(jì)錄，該超導(dǎo)量子計算原型機(jī)的部分核心部件也在濟(jì)南研制。在山東省、濟(jì)南市的支持下，濟(jì)南量子院建成了國內(nèi)最大規(guī)模集成先進(jìn)制程的超導(dǎo)量子處理器工藝線，正在開展基于超導(dǎo)體系的大規(guī)模表面碼糾錯研究。

下一步，研究院將繼續(xù)深耕量子通信領(lǐng)域基礎(chǔ)研究與應(yīng)用基礎(chǔ)研究，力求創(chuàng)造更多突破性成果，不斷拓展量子通信應(yīng)用場景，朝著構(gòu)建大規(guī)模實用化量子通信網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)持續(xù)探索前行，以量子技術(shù)革命性突破服務(wù)國家信息安全重大需求。（段婷婷）