研究背景
量子網絡提供了一個連接量子設備的基礎設施，具有革命性的計算、傳感和通信能力。量子衛星星座為在全球范圍內推動量子網絡提供了解決方案。墨子衛星驗證了衛星量子通信的可行性；
然而，擴展量子衛星星座面臨挑戰，需小型輕量化衛星、便攜式地面站和實時安全密鑰交換。
針對這一挑戰，中國科學技術大學潘建偉院士、彭承志、廖勝凱等人在“Nature”期刊上發表了題為“Microsatellite-based real-time quantum key distribution”的最新論文。他們報道了量子微衛星的開發，該微衛星能夠使用便攜地面站進行太空到地面量子密鑰分發。微衛星有效載荷約23公斤，便攜地面站約100公斤，分別在重量上減少了超過1和2個數量級。通過這一設置，研究者展示了基于衛星的量子密鑰分發，并實現了在單次衛星過境期間共享多達107萬位安全密鑰。
此外，研究者實現了衛星–地面光學通信與量子通信的雙向復用，在實時中實現了密鑰提取和安全通信。此外，在中國和南非之間，隔絕超過12,900公里的地方，通過創建一個秘密密鑰，實現了圖像的一次性密鑰加密。該緊湊型量子有效載荷可以輕松組裝在現有的空間站或小型衛星上，為基于衛星星座的量子和經典網絡在現實應用中的廣泛部署鋪平了道路。
研究亮點
1.實驗首次成功實現了量子微衛星與多個便攜式地面光學站之間的衛星到地面量子密鑰分發（QKD）。通過該實驗，展示了衛星基量子密鑰分發在小型衛星和便攜地面站設置中的可行性，并實現了與多個地面站的實時安全密鑰交換。
2.實驗通過采用緊湊型625MHz量子密鑰分發光源、微弧度精度的跟蹤技術以及集成的衛星姿態控制系統，大大減輕了衛星的質量并提高了跟蹤精度。通過這一技術組合，實現了量子微衛星Jinan-1的發射，并在500公里的太陽同步軌道上成功完成了量子密鑰分發實驗。
3.實驗顯示，衛星–地面雙向光學通信和量子通信的復用有效解決了長時間密鑰提取的延遲問題，實現了實時密鑰提純和安全通信。該技術實現了實時共享406,784位密鑰，并展示了衛星與多個地面站之間的量子密鑰分發能力。
4.實驗成功建立了一個跨越超過12,900公里的量子安全通信鏈路，進一步驗證了量子衛星星座在全球量子通信網絡中的潛力。該實驗為量子通信技術的應用提供了重要的理論依據，并為未來衛星星座量子網絡的建設奠定了基礎。
圖文解讀
圖1：實驗設置。
圖2：衛星到地面量子密鑰分發系統的表征。
圖4：衛星到地面量子密鑰分發的實驗過程，以及2022年9月25日單次軌道中的實驗結果。
結論展望
本文成功設計、開發并發射了一顆輕量化的量子微衛星，其有效載荷重量為22.7公斤，比傳統衛星輕得多。利用這顆微衛星，研究者成功展示了與位于濟南、合肥、武漢、北京、斯泰倫博斯等城市以及南山山區的100公斤級便攜地面光學站（OGS）之間的實時衛星到地面量子密鑰分發（QKD）。這一成就為研究者未來發射多顆微衛星并建立廣泛的地面光學站網絡奠定了堅實基礎，朝著實現一個能夠為全球用戶提供量子接入服務的實際量子星座邁進。研究結果不僅為實際可用的大規模量子通信奠定了基礎，還為量子網絡的廣泛部署帶來了巨大的潛力。
未來的努力可以集中在基于光子芯片的集成量子密鑰分發光源，以最小化有效載荷；晝間衛星到地面量子密鑰分發，為全天24小時提供服務；不同高度和不同軌道類型的衛星結合，以實現最佳互補性；以及探索基于衛星的測量設備獨立量子密鑰分發和雙場量子密鑰分發的可行性。此外，基于已開發的關鍵技術，如微型衛星和有效載荷、高精度衛星–地面跟蹤、便攜地面站，結合量子節點和量子中繼的發展，預計在不久的將來將實現具備革命性通信、計算和傳感能力的全球規模量子網絡。
原文詳情：
Li, Y., Cai, WQ., Ren, JG. et al. Microsatellite-based real-time quantum key distribution. Nature (2025).
https://doi.org/10.1038/s41586-025-08739-z
