从“墨子号”到“济南一号”，解密量子卫星的前世今生

“济南一号”的上天，有望让我国实现基于微纳卫星和小型化地面站之间的实时星地量子密钥分发，构建低成本、实用化的天地一体化量子保密通信网络。这意味着，作为国际上率先开展下一代空间量子科学实验研究的国家，我国在该领域的领先地位得以保持。

01“墨子号”只是起点

对于许多人来说，真的认识“量子通信”，可能就是源于“墨子号”带来的震撼。“墨子号”是世界首颗量子通信实验卫星，通过“墨子号”，人类第一次将量子的玄妙在星地之间进行演示，也是人们第一次在这么大的空间尺度上验证了量子保密通信这种无条件安全的通信方式。因此，它得到了许多普通人的关注和期待。

“墨子号”没有辜负大家的厚爱，在轨运行这些年，它先后进行了星地量子密钥分发、星地双向量子纠缠分发、地星量子隐形传态实验，这些科学实验第一次在自由空间验证了量子力学的正确性，也证明了用卫星的方式进行量子保密通信是可行的。紧接着，洲际量子密钥分发、基于纠缠的无中继量子密钥分发等一系列实验相继进行。同时，地面光纤量子通信网络也初步建成，和“墨子号”一起，构成天地一体化广域量子保密通信网络的雏形，更是令人们对量子保密通信网络的实用性信心满满。因此，“墨子号”是一大步。

但就是这样厉害的“墨子号”也有局限性，它作为一颗低轨卫星，经过一个地面站的时间只有6分钟左右，仅能覆盖直径1000公里的范围，而且只能在地影区工作，还时不时被天气影响。

“‘墨子号’只是一个起点，从实用的角度来说，必须要构建由高、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表示，“目前，我们至少领先国际水平5年，如果基于中高轨的万公里量子通信卫星顺利发射，我们将至少领先10年。”

“领先”，也意味着在该领域我国没有任何先例可供参考。为了顺利完成科研攻关，产学研共同联手。2020年5月，中科院量子信息与量子科技创新研究院牵头立项微纳量子卫星项目。

“科研团队突破了多项关键技术，这才有了‘济南一号’的诞生。”卫星项目负责人之一、中国科学技术大学教授廖胜凯说。“济南一号”量子密钥分发载荷只有23公斤，即使算上整星，也只有98公斤，仅是“墨子号”的1/6，尺寸、功耗大大减小，研发成本和发射成本远低于“墨子号”。

与“济南一号”配合的地面站，在小型化方面也取得突破性进展，其重量由12吨左右降至100公斤以下，安装部署时间由数月降低至数小时。起源于中国科大的产业主体——科大国盾量子技术股份有限公司参与“济南一号”地面应用系统、小型化地面站的研制、建设和运行。

据科大国盾量子副总裁唐世彪介绍，“济南一号”可以实时地进行密钥提取和成码，时效性比“墨子号”提升了2-3个数量级。

“济南一号”由多家科研单位联合产业力量共同完成，科研团队成员平均年龄仅30岁左右。就是这样一支年轻团队，在研发过程中还经历了一次特殊考验。

今年3月，在完成量子载荷的研制之后，团队紧锣密鼓地投入到整星的联调联试中。当时，上海正遭遇新冠肺炎疫情，这座国际大都市进入全域静态管理状态。时间紧、任务重，人手又严重不足。在无法进行人员交换的情况下，位于中国科学院微小卫星创新研究院临港园区的科研团队，靠着仅有的十余人，日夜轮班、相互打气，终于在6月8日完成整星所有调试工作，将其运送至酒泉，保证了发射任务的顺利进行。

未来两年，“济南一号”将在星地之间完成与量子密钥分发有关的各项实验，还要承担其他科学实验任务。作为我国构建“量子星座”的首星，该卫星的发射成功，也意味着我国量子保密通信的商业化迈出重要一步。

济南一号和研制团队成员（部分）合影

2020年12月，济南量子技术研究院与科大国盾量子共同揭牌成立了“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飞告诉记者，按照规划，一个低成本、实用化的天地一体广域量子保密通信网络，应该是“中高轨量子卫星+低轨量子通信卫星星座+大规模地面光纤量子通信网络”的基本架构，三者相互配合，互为补充。

截至目前，在地面光纤方面，我国已建成“京沪干线”“武合干线”等量子保密通信骨干网络，以及北京、上海、济南、合肥等地城域网及行业接入网。基于这些网络，量子保密通信技术已服务于政务、金融、电力、能源等领域。

未来，一旦有更多的量子微纳卫星升空，我国“量子星座”将不断完善，并与光纤网络上的关键节点和可移动节点完成对接，无缝接入经典通信网络，成为一名忠诚的“信使”。