解密世界首颗量子微纳卫星的前世

近日，世界首颗量子微纳卫星“济南一号”由中科院“李健一号”运载火箭成功发射。目前，“济南一号”已进入既定轨道，太阳帆板已成功打开，即将开展在轨测试和星地联试。

“济南一号”的发射，有望使我国实现微纳卫星与小型化地面站之间的实时星地量子密钥分发，构建低成本、实用化、一体化的天地量子保密通信网络。这意味着，作为世界上第一个开展下一代空间量子科学实验研究的国家，中国在该领域的领先地位得以保持。

2016年8月16日，济南一号的前身——，世界首颗量子科学实验卫星墨子号在酒泉卫星发射中心发射。推出后发表的第一项成果获得了美国科学促进会的克利夫兰奖。这是该奖项自90元设立多年以来，中国本土成果首次获此殊荣。

此后，“墨子号”首次实现了星地量子密钥分发、洲际量子密钥分发等一系列空间量子科学实验，并与地面光纤量子密钥分发干线一起，形成了天地一体化的广域量子保密通信网络雏形，开展了一系列应用验证。截至目前，原定使用年限为两年的墨子号仍在超期服役。

然而，如此强大而勤劳的“墨子”也有其局限性。作为低轨卫星，经过一个地面站只需要6元左右的时间，而且只能覆盖直径1000公里的维度范围，只能在阴影区工作。也是时不时受天气影响。

“‘墨子’只是一个起点。从实用的角度来看，需要构建由高、中、低轨道卫星组成的量子星座，建立覆盖全球的量子通信网络。”中国科学院院士王建宇说：“目前，我们至少领先于5时代的国际水平。如果基于中高轨道的万公里量子通信卫星发射成功，我们至少领先10元年。”

“领先”也意味着国内在这一领域没有可借鉴的先例。为了顺利完成科研、生产、教育和研究工作。在5，中国科学院量子信息与量子科技创新研究所《捉鬼敢死队3》牵头成立了微纳量子卫星项目。

“科研团队突破了多项关键技术，催生了‘济南一号’。”中国科学技术大学教授、武汉负责卫星工程的昼夜之一廖胜凯告诉记者。“济南一号”的量子密钥分发载荷只有23元kg，即使整颗卫星都算进去也只有98元kg，只有“墨子号”的六分之一。体积和功耗大幅降低，研发成本和发射成本远低于“墨子”。

与“济南一号”合作的地面站也在小型化方面取得突破性进展。其重量从12元吨降低到100元公斤，安装部署时间从几个月减少到几个小时。产业实体——师国盾量子科技有限公司，源于中国科学技术大学，参与了“济南一号”地面应用系统和小型化地面站的研制、建设和运营。

据科大国盾量子副总裁唐世标介绍，“金安一号”可以实时提取并编码密钥，其时效性比中的“墨子”高10个数量级。

“济南一号”由多家科研单位和产业力量联合完成，研究团队成员平均年龄仅30元岁左右。就是这样一个年轻的团队，在研发过程中经历了一场特殊的考验。

未来两年，“济南一号”将完成星地间量子密钥分发相关的各项实验，并承担其他科学实验任务。作为我国首颗构建“量子星座”的恒星，这颗卫星的成功发射也意味着我国量子保密通信商用迈出了重要一步。

济南量子技术研究所和科大国盾量子共同揭牌“量子卫星小型地面站联合研发中心”。济南量子技术研究院副院长周菲告诉记者，按照规划，一个低成本、实用化的天地一体化广域量子保密通信网络，应该是“中高轨量子卫星星座和低轨量子通信卫星星座的大型地面光纤量子通信网络”的基本架构，三者相互配合，相辅相成。

截至目前，在地面光纤方面，我国已建成“京沪干线”、“五河干线”等量子保密通信骨干网，以及北京、上海、济南、合肥等城市的城域网和行业接入网。基于这些网络，量子保密通信技术已经应用于政务、金融、电力、能源等领域。

未来，一旦更多的量子微纳卫星发射升空，中国的“量子星座”将不断完善，与光纤网络上的关键节点和可移动节点相连，无缝接入经典通信网络，成为忠实的“使者”。