中国科学家实现全球首个微卫星实时量子密钥分发
作者及发表信息
本研究的通讯作者为中国科学技术大学的潘建伟、彭承志和廖胜凯，合作单位包括中国科学院上海技术物理研究所、济南量子技术研究院等十余家机构。研究成果于2025年4月3日发表于《Nature》期刊（卷640），标题为《Microsatellite-based real-time quantum key distribution》。
学术背景
科学领域与目标
该研究属于量子通信领域，旨在解决全球量子通信网络（quantum network）构建的核心挑战：如何通过低成本、轻量化的卫星平台实现实时、安全的量子密钥分发（quantum key distribution, QKD）。此前，中国“墨子号”卫星已验证卫星量子通信的可行性，但其大型科学卫星（载荷重约250公斤）和重型地面站（约13吨）难以规模化。本研究通过开发仅23公斤的量子微卫星载荷和100公斤级便携地面站，首次实现了微卫星星座的实时QKD，为全球量子互联网奠定技术基础。
背景知识
量子密钥分发基于量子力学原理，可实现无条件安全的通信。然而，光纤QKD受限于传输损耗，地面自由空间QKD受限于地球曲率。卫星QKD是突破距离限制的关键方案，但需解决卫星小型化、实时密钥提取和多地面站兼容性等难题。
研究流程与方法
1. 紧凑型QKD光源开发
- 方法创新：采用单一激光二极管（laser diode）结合外调制技术，实现625 MHz的诱骗态QKD光源（decoy-state QKD）。通过萨格纳克干涉仪（Sagnac interferometer）方案调制偏振态，偏振对比度达25 dB，光源重量仅8.3公斤。
- 实验验证：地面测试显示光源的偏振保真度和稳定性满足空间环境要求，单光子水平输出通过单模光纤（SMF）传输，避免侧信道泄露风险。
2. 高精度卫星姿态控制与跟踪
- 卫星APT系统：将卫星姿态控制（attitude control）与快速转向镜（fast steering mirror）结合，实现0.55–1.6 μrad的跟踪精度（较“墨子号”提升1个数量级）。
- 关键技术：
- 将捕获相机（capture camera）信标光反馈纳入卫星姿态控制闭环，控制频率达20 Hz。
- 双源仲裁策略（dual-source arbitration）确保在云层干扰时切换至星敏感器模式，保障连续跟踪。
3. 便携地面站与多路通信
- 地面站设计：280 mm口径望远镜、四通道多模光纤（MMF）耦合探测器，总重100公斤，部署时间缩短至3–5小时。
- 量子-经典通信复用：
- 下行链路：850 nm量子光与812 nm经典激光通过波分复用（WDM）共轴传输，速率156 Mbps。
- 上行链路：1,538 nm激光用于密钥协商，时间同步精度达100 ps。
4. 实时密钥分发实验
- 实验流程：
- 卫星过顶时建立光学链路，实时传输量子光与经典信号。
- 地面站采样10%光子计算量子比特误码率（QBER），剩余90%生成原始密钥。
- 通过LDPC编码（low-density parity check）和隐私放大（privacy amplification）提取最终密钥。
- 数据规模：单次过顶最高生成1.07 Mbit安全密钥（中国-南非跨12,900公里）。
主要结果
性能指标：
- 卫星载荷重量降低至23公斤（较“墨子号”减少90%），地面站重量降低2个数量级。
- 单次过顶密钥生成效率：城市环境（济南）达406 kbit，山区（南山）达538 kbit。
- 偏振补偿后QBER稳定在0–1.0%，验证系统鲁棒性。
多节点验证：在济南、武汉、北京、南非斯泰伦博斯等6个站点完成实验，覆盖城市与复杂地形。
实时应用：通过卫星中继实现中国-南非的一次一密（one-time pad）图像加密传输，延迟仅1.5小时。
结论与价值
科学价值：
- 首次验证微卫星星座的QKD可行性，为全球量子网络提供可扩展方案。
- 突破传统卫星QKD的重量和成本限制，推动量子通信技术实用化。
应用价值：
- 兼容现有空间站和小卫星星座（如Starlink），可快速部署全球量子安全通信基础设施。
- 为军事、金融等高安全需求领域提供实时密钥分发能力。
研究亮点
技术创新：
- 单激光二极管光源实现高重复频率QKD，兼顾集成度与安全性。
- 卫星姿态控制与光学跟踪协同设计，实现μrad级精度。
工程突破：
- 全球首个100公斤级便携地面站，支持快速机动部署。
- 量子-经典通信复用技术解决实时密钥提取难题。
跨洲际验证：首次实现中国与南非的远程量子加密通信，展示全球化应用潜力。
其他价值
研究团队提出未来方向：
- 光子芯片集成进一步减小载荷体积。
- 发展白天QKD和混合轨道卫星星座，实现全天候覆盖。
- 探索卫星平台的测量设备无关QKD（MDI-QKD）和双场QKD（TF-QKD）协议。
（注：术语翻译首次出现时标注英文，如“量子密钥分发（quantum key distribution, QKD）”）