跨越萬里加密通信！陸實現「量子金鑰」分發新突破

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中國科學技術大學網站20日消息，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研究團隊，在國際上首次實現量子微納衛星與小型化、可移動地面站之間的即時星地量子金鑰分發，在單次衛星通過期間實現了多達1百萬比特的安全金鑰共用。


在此基礎上，聯合團隊和南非斯坦陵布希（Stellenbosch）大學科研團隊合作，在中國和南非之間相隔1萬2900多公里的距離上建立了量子金鑰，完成對圖像數據「一次一密」加密和傳輸。該工作為實用化衛星量子通信組網鋪平了道路。相關研究成果於3月20日線上發表在國際學術期刊《自然》雜誌。

通信安全是資訊安全和經濟社會發展的重要基礎。基於量子金鑰分發的量子保密通信是迄今唯一可實現「資訊理論可證」安全的通信方式，將大幅提升現有資訊系統的安全傳輸水準。目前，基於光纖鏈路的城域城際量子通信已發展成熟並初步得以應用。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。利用衛星平台進行自由空間量子金鑰分發，能夠有效克服這些限制，實現全球範圍的量子保密通信。

中國科大與多家科研機構協同攻關，在星地量子通信方面開展了一系列開創性研究。中國科大牽頭研製的「墨子號」量子科學實驗衛星在國際上首次實現了星地量子金鑰分發，並與地面光纖量子保密通信骨幹網「京滬幹線」構成首個天地一體化廣域量子保密通信網路，充分驗證了基於衛星實現全球化量子通信的可行性。由於「墨子號」量子衛星無法直接覆蓋全球且成本較高，發射多顆低成本量子微納衛星並實現組網運行，已成為構建高效率、實用化、全球化量子通信網路的迫切需求。

朝向這一目標，研究團隊成功突破了低成本小型化誘騙態量子光源技術、複合雷射通信的即時金鑰提取技術、基於衛星姿控的高精度跟瞄等關鍵技術，完成星載量子金鑰分發載荷、量子微納衛星平台研製，載荷重量約23kg，相比墨子號降低約一個數量級，光源頻率提升約6倍，金鑰生成時效性由數天時間完成提高到單軌即時成碼。在系列技術突破的基礎上，團隊研製的國際首顆量子微納衛星濟南一號於2022年7月27日成功發射入軌。研究團隊進一步發展了小型化地面站系統，相對第一代重約13噸的地面站，重量降低了約兩個數量級達到低於100kg水準，能夠快速部署，可適應城市、山區、高原等各類環境，原理上已可支撐移動量子通信。