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實時星地量子密鑰分發，在單次衛星通過期間實現了多達1百萬比特的安全密鑰共享。在此基礎上，聯合團隊和南非斯坦陵布什(Stellenbosch)大學科研團隊合作，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。相關研究成果于2025年3月20日在線發表在國際學術期刊《自然》雜志上。

　　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。

　　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。中國科大牽頭研制的“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。由于“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并實現組網運行，已成為構建高效率、實用化、全球化量子通信網絡的迫切需求。

　　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、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，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，密鑰生成時效性由數天時間完成提高到單軌實時成碼。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。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于100kg的水平，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。

　　在本研究工作中，量子微納衛星與濟南、合肥、南山、武漢、北京、上海、南非斯坦陵布什等地面光學站建立光鏈路，實現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2.5億個信號光子，結合上下行光通信實現密鑰的實時提取，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3kbps。以衛星作為可信中繼，研究團隊進一步實現了地面相距12900km北京站和南非斯坦陵布什站之間的密鑰共享和數據中繼。

圖1 量子微納衛星“濟南一號”星地量子密鑰分發實驗示意圖

圖2 中國-南非“一次一密”加密傳輸的圖片(上圖：長城照片;下圖：南非斯坦陵布什大學實驗現場)

　　該研究工作為未來發射多顆微納衛星構建“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)”。《自然》雜志還以“向長距離安全量子通信的現實飛躍(A practical leap towards secure quantum communication over long distances)”為題配發研究簡報(Research Briefing)進行報道，《自然》播客(Nature Podcast)、著名科學雜志英國《新科學家》(New Scientist)等也對該工作進行了專題報道。

　　該研究工作得到了科技部、中國科學院、國家自然科學基金委、安徽省、山東省、上海市等的支持。

　　論文鏈接：

　　https://www.nature.com/articles/s41586-025-08739-z