12900公里！我國實(shí)現(xiàn)上萬公里星地量子通信

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、彭承志、廖勝凱等與合作者在國際上首次實(shí)現(xiàn)量子微納衛(wèi)星與小型化、可移動地面站之間的實(shí)時星地量子密鑰分發(fā)，在單次衛(wèi)星通過期間實(shí)現(xiàn)了多達(dá)100萬比特的安全密鑰共享。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)和南非斯坦陵布什大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)合作，在中國和南非之間相隔12900多公里的距離上建立了量子密鑰，完成對圖像數(shù)據(jù)“一次一密”加密和傳輸。該工作為實(shí)用化衛(wèi)星量子通信組網(wǎng)鋪平了道路。3月20日，相關(guān)研究成果在線發(fā)表于《自然》。

量子微納衛(wèi)星“濟(jì)南一號”星地量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)示意圖。中國科大供圖

《自然》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(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”，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”?！蹲匀弧愤€以“向長距離安全量子通信的現(xiàn)實(shí)飛躍”為題配發(fā)研究簡報進(jìn)行報道。

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(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。利用衛(wèi)星平臺進(jìn)行自由空間量子密鑰分發(fā)，有望實(shí)現(xiàn)全球范圍的量子保密通信。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)射多顆低成本量子微納衛(wèi)星并實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)運(yùn)行，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。

在系列技術(shù)突破的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)研制了國際首顆量子微納衛(wèi)星“濟(jì)南一號”，并于2022年7月27日成功發(fā)射入軌。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步發(fā)展了小型化地面站系統(tǒng)，重量低于100公斤，可適應(yīng)城市、山區(qū)、高原等各類環(huán)境，原理上已可支撐移動量子通信。

在此次研究工作中，量子微納衛(wèi)星“濟(jì)南一號”與濟(jì)南、合肥、南山、武漢、北京、上海、南非斯坦陵布什等地面光學(xué)站建立光鏈路，實(shí)現(xiàn)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2.5億個信號光子，結(jié)合上下行光通信實(shí)現(xiàn)密鑰的實(shí)時提取，一次過軌對接實(shí)驗(yàn)可生成25萬至100萬比特的安全密鑰，平均成碼率可達(dá)3 千比特每秒。以量子微納衛(wèi)星“濟(jì)南一號”作為可信中繼，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了地面相距12900公里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。

研究人員介紹，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(jiān)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。