量子网络提供了一种基础设施，将量子设备与革命性的计算、传感和通信能力连接起来。量子卫星星座提供了一种解决方案，以促进全球范围内的量子网络。“墨子号”卫星已经验证了卫星量子通信的可行性；然而，扩大量子卫星星座具有挑战性，需要小型轻型卫星，便携式地面站和实时安全密钥交换。
由中国科学技术大学潘建伟、彭承志、廖胜凯等，联合济南量子技术研究院、中国科学院上海技术物理研究所、微小卫星创新研究院等单位组成的合肥国家实验室卫星量子通信研究团队，在国际上首次实现量子微纳卫星与小型化、可移动地面站之间的实时星地量子密钥分发，在单次卫星通过期间实现了多达一百万比特的安全密钥共享。
在此基础上，联合团队和南非斯坦陵布什大学（Stellenbosch University）科研团队合作，在中国和南非之间相隔12900多公里的距离上建立了量子密钥，完成对图像数据“一次一密”加密和传输。研究成果“Microsatellite-based real-time quantum key distribution”（基于微纳卫星的实时量子密钥分发）于2025年3月20日在线发表在国际学术期刊《自然》杂志上。
该研究报告了一个量子微型卫星的发展，能够使用便携式地面站执行空间到地面的量子密钥分发。微型卫星有效载荷重约23kg，便携式地面站重约100kg，分别减少了一个和两个数量级以上。
此外，研究团队将双向星地光通信与量子通信进行复用，实现真实的密钥提取和安全通信。紧凑的量子有效载荷可以很容易地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的广泛现实应用铺平了道路。
轻量化量子终端突破星地传输瓶颈
全球量子安全网络加速落地
量子互联网有望将远程节点的量子设备互连起来，利用量子信息处理的变革能力。
作为量子互联网的典型应用，量子密钥分发（QKD）提供了一种基于物理学基本定律的安全通信手段。在通过光学天线或地面自由空间扩大传输距离方面取得了重大进展。
特别是基于卫星的QKD为全球量子通信提供了一个有前途的解决方案，使用“墨子号”卫星，星地量子通信得到了广泛验证，这是迈向全球规模量子网络的重要一步。
到目前为止，基于卫星的QKD的演示已经采用了大型科学卫星和大规模光学地面站（OGS），对构建实用的量子卫星星座提出了挑战，推动了轻型和低成本量子卫星的发展。
事实上，近年来已经报告了关于立方体卫星和量子星座的几项提议和初步测试。
尽管取得了进展，但CubeSat的提议仍有待实验验证，特别是在小孔径情况下和便携式OGS，以方便一般应用。
此外，安全密钥的提取需要一系列经典通信来进行密钥提取，主要通过传统的微波通信，只是有限的带宽和通信时间导致了提取安全密钥的长时间延迟。
量子密钥分发：
诱骗态协议与纠错码协同实现星地通信亚毫秒级精度校准
量子密钥分发（QKD）是量子网络的核心应用之一，它基于量子力学的基本原理，能够提供一种理论上无条件安全的通信方式。在QKD过程中，通信双方通过量子信道共享量子比特，并根据量子比特的测量结果生成密钥。
研究采用的诱骗态QKD协议是一种先进的QKD技术，它通过引入诱骗态来提高密钥生成率和安全性。
在卫星量子通信中，量子态的制备、调制和测量是实现QKD的关键步骤。卫星上的量子光源通过特定的调制方式将量子态编码到光子的偏振态上，然后通过卫星与地面站之间的光束传输将量子态发送到地面站。地面站接收到量子态后，通过相应的测量装置对其进行测量，并根据测量结果与卫星进行通信，以完成密钥的生成。
为了实现卫星与地面站之间的精确对准和跟踪，这项研究采用了先进的卫星姿态控制技术和地面站的光学跟踪系统。
卫星姿态控制通过调整卫星的姿态，使其光束能够准确地指向地面站；而地面站的光学跟踪系统则通过实时监测卫星的位置，调整地面站的光束方向，以确保与卫星光束的精确对准。
此外，量子通信中的噪声和纠错也是保证通信质量的重要环节。量子比特错误率（QBER）是评估通信链路质量的关键指标，通过采用适当的量子纠错码，可以降低错误率，提高通信的可靠性。
研究通过精确的量子态制备、高效的量子态传输和可靠的纠错技术，实现了卫星与地面站之间的高效量子密钥分发。
23kg卫星+100kg地面站：
中非12900公里量子密钥直连
该研究大的实验方案包括量子微卫星和便携式地面站的研制与部署。
量子微卫星的有效载荷仅重约23kg，而便携式地面站的重量约为100kg，实现了显著的轻量化。量子微卫星的QKD终端包括量子光源、驱动电子学和基于FPGA的控制与密钥提取模块。
量子光源采用单激光二极管和外部调制的方式，实现了625MHz的QKD光源。
卫星的姿态控制和跟踪系统通过结合卫星姿态控制和地面站的光学跟踪技术，实现了高精度的光束对准。
便携式地面站由光学终端和控制终端组成，光学终端包括一个口径为280毫米的卡塞格林型望远镜和相应的光学元件，用于接收卫星发送的量子信号和进行经典通信。
实验中，量子微卫星与多个地面站进行了通信，成功实现了单次卫星过境期间高达百万比特的安全密钥共享。
此外，实验还实现了中国与南非之间超过12,900公里距离的量子密钥分发，为两地之间的安全通信提供了可能。
这一研究工作为未来发射多颗量子微纳卫星构建“量子星座”奠定了坚实基础，不仅为大规模实用化量子通信网络的建设提供了关键技术支撑，更为量子互联网的全球部署开辟了新的发展路径。
一个逐年具象的“疯狂设想”
当我们探讨筑起这一成果的基石时，除了“墨子号”“济南一号”，还可以聊些什么？
聊：“一个疯狂的设想”——利用卫星实现远距离量子纠缠分发
1996年，潘建伟前往奥地利攻读博士学位，导师蔡林格见到他问的第一个问题是：“你的梦想是什么？”潘建伟脱口而出：“我将来想在中国建一个像您这里一样的实验室，世界一流的量子光学实验室。”
1997年在蔡林格的实验室，潘建伟与同事首次在国际上实现了量子远程传态，也称量子隐形传态。这一成果被认为是量子信息实验研究的开山之作，直观地向人们展示了量子力学的神奇。
量子信息蓬勃发展。
不过，彼时国内的量子信息研究几乎一片空白，甚至有时候会被认为是“伪科学”。
潘建伟在31岁时决定回国，在中国科大组建量子物理与量子信息实验室，独立开展量子信息研究。2003年，潘建伟郑重地向中国科学院提出“疯狂设想”，并得到相关支持。
2007年，中国科学院超常规地启动了两个知识创新工程重大项目“远距离量子通信实验研究”和“空间尺度量子实验关键技术与验证”。
2007年4月到2011年左右的时间里，包括当时博士生印娟等人在内的研究团队的脚印遍布北京八达岭长城附近和河北省张家口市怀来县古城遗址之间、海拔3200米以上的青海湖及其小岛“海心山”。
图：驻守在海心山上的研究人员
来源：中国科学技术大学