潘建伟院士团队，再发Nature！

米测MeLab

2025-03-24

研究背景

量子网络提供了一个连接量子设备的基础设施，具有革命性的计算、传感和通信能力。量子卫星星座为在全球范围内推动量子网络提供了解决方案。墨子卫星验证了卫星量子通信的可行性；

然而，扩展量子卫星星座面临挑战，需小型轻量化卫星、便携式地面站和实时安全密钥交换。

针对这一挑战，中国科学技术大学潘建伟院士、彭承志、廖胜凯等人在“Nature”期刊上发表了题为“Microsatellite-based real-time quantum key distribution”的最新论文。他们报道了量子微卫星的开发，该微卫星能够使用便携地面站进行太空到地面量子密钥分发。微卫星有效载荷约23公斤，便携地面站约100公斤，分别在重量上减少了超过1和2个数量级。通过这一设置，研究者展示了基于卫星的量子密钥分发，并实现了在单次卫星过境期间共享多达107万位安全密钥。    

此外，研究者实现了卫星–地面光学通信与量子通信的双向复用，在实时中实现了密钥提取和安全通信。此外，在中国和南非之间，隔绝超过12,900公里的地方，通过创建一个秘密密钥，实现了图像的一次性密钥加密。该紧凑型量子有效载荷可以轻松组装在现有的空间站或小型卫星上，为基于卫星星座的量子和经典网络在现实应用中的广泛部署铺平了道路。

研究亮点

1.实验首次成功实现了量子微卫星与多个便携式地面光学站之间的卫星到地面量子密钥分发（QKD）。通过该实验，展示了卫星基量子密钥分发在小型卫星和便携地面站设置中的可行性，并实现了与多个地面站的实时安全密钥交换。

2.实验通过采用紧凑型625MHz量子密钥分发光源、微弧度精度的跟踪技术以及集成的卫星姿态控制系统，大大减轻了卫星的质量并提高了跟踪精度。通过这一技术组合，实现了量子微卫星Jinan-1的发射，并在500公里的太阳同步轨道上成功完成了量子密钥分发实验。

3.实验显示，卫星–地面双向光学通信和量子通信的复用有效解决了长时间密钥提取的延迟问题，实现了实时密钥提纯和安全通信。该技术实现了实时共享406,784位密钥，并展示了卫星与多个地面站之间的量子密钥分发能力。

4.实验成功建立了一个跨越超过12,900公里的量子安全通信链路，进一步验证了量子卫星星座在全球量子通信网络中的潜力。该实验为量子通信技术的应用提供了重要的理论依据，并为未来卫星星座量子网络的建设奠定了基础。    

图文解读

图1：实验设置。    

图2：卫星到地面量子密钥分发系统的表征。

图4：卫星到地面量子密钥分发的实验过程，以及2022年9月25日单次轨道中的实验结果。

结论展望

本文成功设计、开发并发射了一颗轻量化的量子微卫星，其有效载荷重量为22.7公斤，比传统卫星轻得多。利用这颗微卫星，研究者成功展示了与位于济南、合肥、武汉、北京、斯泰伦博斯等城市以及南山山区的100公斤级便携地面光学站（OGS）之间的实时卫星到地面量子密钥分发（QKD）。这一成就为研究者未来发射多颗微卫星并建立广泛的地面光学站网络奠定了坚实基础，朝着实现一个能够为全球用户提供量子接入服务的实际量子星座迈进。研究结果不仅为实际可用的大规模量子通信奠定了基础，还为量子网络的广泛部署带来了巨大的潜力。    

未来的努力可以集中在基于光子芯片的集成量子密钥分发光源，以最小化有效载荷；昼间卫星到地面量子密钥分发，为全天24小时提供服务；不同高度和不同轨道类型的卫星结合，以实现最佳互补性；以及探索基于卫星的测量设备独立量子密钥分发和双场量子密钥分发的可行性。此外，基于已开发的关键技术，如微型卫星和有效载荷、高精度卫星–地面跟踪、便携地面站，结合量子节点和量子中继的发展，预计在不久的将来将实现具备革命性通信、计算和传感能力的全球规模量子网络。

原文详情：

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