今日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)宣布，中國科研團(tuán)隊(duì)在國際上首次實(shí)現(xiàn)微納量子衛(wèi)星與小型化、可移動(dòng)地面站之間的實(shí)時(shí)星地量子密鑰分發(fā)，在單次衛(wèi)星通過期間實(shí)現(xiàn)了多達(dá)100萬比特的安全密鑰共享。

并在中國和南非之間相隔12900多公里的距離上成功建立量子密鑰，完成對(duì)圖像數(shù)據(jù)“一次一密”加密和傳輸，為實(shí)用化衛(wèi)星量子通信組網(wǎng)鋪平了道路。

這項(xiàng)工作由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)者潘建偉、彭承志、廖勝凱等，聯(lián)合濟(jì)南量子技術(shù)研究院、中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所、微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院等單位共同完成。

今天凌晨，國際學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志在線發(fā)表了該研究成果，雜志審稿人稱贊該成果是“技術(shù)上令人欽佩的成就，展示了衛(wèi)星量子密鑰分發(fā)技術(shù)的成熟，代表了實(shí)現(xiàn)量子和經(jīng)典通信衛(wèi)星星座的里程碑。”

此前，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)牽頭研制的“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星在國際上首次實(shí)現(xiàn)了星地量子密鑰分發(fā)，并與地面光纖量子保密通信骨干網(wǎng)“京滬干線”構(gòu)成首個(gè)天地一體化廣域量子保密通信網(wǎng)絡(luò)，充分驗(yàn)證了基于衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)全球化量子通信的可行性。

由于“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星無法直接覆蓋全球且成本較高，因此發(fā)射多顆低成本微納量子衛(wèi)星并實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)運(yùn)行是構(gòu)建高效率、實(shí)用化、全球化量子通信網(wǎng)絡(luò)的迫切需求。

量子微納衛(wèi)星“濟(jì)南一號(hào)”星地量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)示意圖

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究團(tuán)隊(duì)成功突破了低成本小型化誘騙態(tài)量子光源技術(shù)、復(fù)合激光通信的實(shí)時(shí)密鑰提取技術(shù)、基于衛(wèi)星姿控的高精度跟瞄等關(guān)鍵技術(shù)，完成了星載量子密鑰分發(fā)載荷、量子微納衛(wèi)星平臺(tái)研制。

載荷重量約23kg，相比“墨子號(hào)”重量輕10倍，但光源頻率卻提升了約6倍，密鑰生成時(shí)效性由數(shù)天時(shí)間完成提高到單軌實(shí)時(shí)成碼。

在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步發(fā)展了小型化地面站系統(tǒng)，該系統(tǒng)重量從第一代地面站的重約13噸降低到了現(xiàn)在約100kg的水平，不僅能夠快速部署，還可以適應(yīng)城市、山區(qū)、高原等各類環(huán)境，原理上已可支撐移動(dòng)量子通信。

據(jù)介紹，在本研究工作中，量子微納衛(wèi)星與濟(jì)南、合肥、南山、武漢、北京、上海、南非斯泰倫博斯等地面光學(xué)站建立光鏈路，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)星地量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)。

星載量子誘騙態(tài)光源平均每秒發(fā)送2.5億個(gè)信號(hào)光子，結(jié)合上下行光通信實(shí)現(xiàn)密鑰的實(shí)時(shí)提取，一次過軌對(duì)接實(shí)驗(yàn)可生成250 kbits-1Mbits的安全密鑰，平均成碼率可達(dá)3 kbps。

以衛(wèi)星作為可信中繼，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了地面相距12900km北京站和南非斯泰倫博斯站之間的密鑰共享和數(shù)據(jù)中繼。

據(jù)悉，基于量子密鑰分發(fā)的量子保密通信是迄今唯一可實(shí)現(xiàn)“信息論可證”安全的通信方式，將大幅提升現(xiàn)有信息系統(tǒng)的安全傳輸水平。

利用衛(wèi)星平臺(tái)進(jìn)行自由空間量子密鑰分發(fā)，能夠有效克服光纖存在的固有損耗以及難以覆蓋全球等限制，實(shí)現(xiàn)全球范圍的量子保密通信。