濟南量子技術研究院聯合中國科學技術大學、中國科學院上海技術物理研究所、微小衛星創新研究院等單位組成的研究團隊，在國際上首次實現“濟南一號”微納量子衛星與小型化、可移動地面站之間的實時星地量子密鑰分發，在單次衛星通過期間實現多達100萬比特的安全密鑰共享。在此基礎上，聯合團隊和南非斯坦陵布什大學科研團隊合作，在中非之間12900多公里的距離上建立量子密鑰，完成對圖像數據“一次一密”加密和傳輸。該工作為實用化衛星量子通信組網鋪平道路。相關研究成果于2025年3月20日在線發表在國際學術期刊《自然》雜志上。

衛星部分載荷濟南研發

小型化地面站部署助力可移動量子通信

通信安全是國家信息安全和經濟社會發展的重要基礎。基于量子密鑰分發的量子保密通信是迄今唯一可實現“信息論可證”安全的通信方式，可大幅提升現有信息系統的安全傳輸水平。目前，基于光纖鏈路的城域城際量子通信已發展成熟并初步得到應用，而遠距離乃至全球化的量子保密通信，還需要克服光纖存在的固有損耗以及難以覆蓋全球的問題。利用衛星平臺進行自由空間量子密鑰分發，能有效克服這些限制，實現全球范圍的量子保密通信。

研究院與多家科研機構協同攻關，在星地量子通信方面開展了一系列開創性研究。2017年，中國科學技術大學牽頭研制的“墨子號”量子科學實驗衛星在國際上首次實現星地量子密鑰分發，并與地面光纖量子保密通信骨干網“京滬干線”構成首個天地一體化廣域量子保密通信網絡，充分驗證了基于衛星實現全球化量子通信的可行性。由于“墨子號”量子衛星無法直接覆蓋全球且成本較高，發射多顆低成本微納量子衛星并實現組網運行，成為構建高效率、實用化、全球化量子通信網絡的迫切需求。

朝著這一目標，研究團隊成功突破了低成本小型化誘騙態量子光源技術、復合激光通信的實時密鑰提取技術、基于衛星姿控的高精度跟瞄等關鍵技術，并完成星載量子密鑰分發載荷、量子微納衛星平臺研制。量子微納衛星載荷重量約23kg，比“墨子號”降低約一個數量級，光源頻率提升約6倍，密鑰生成時效性由數天時間完成提高到單軌實時成碼。2022年7月27日，國際首顆量子微納衛星“濟南一號”成功發射入軌，部分載荷器件由研究院負責研發。

圖為部署在研究院科研樓頂的小型化地面站

早在2019年，研究院團隊就啟動小型化量子通信衛星地面站系統項目。2019年12月30日23時31分至39分，部署在研究院樓頂的衛星地面站與“墨子號”對接測試成功，這標志著我國首個小型化可移動量子衛星地面站在濟南建設完成。此后，科研人員繼續推動量子衛星地面站的小型化研究。完成此次實時星地量子密鑰分發的一臺衛星地面站就部署在研究院的樓頂，重量僅100kg，而首代地面站重達13噸。這款新型衛星地面站系統適應城市、山區、高原等各類環境，能夠快速部署，原理上已可支撐移動量子通信。

在12900公里距離實現量子密鑰分發

為構建“量子星座”奠定堅實基礎

在本研究工作中，“濟南一號”量子微納衛星與濟南、合肥、南山、武漢、北京、上海、南非斯泰倫博斯等地面光學站建立光鏈路，實現實時星地量子密鑰分發實驗。星載量子誘騙態光源平均每秒發送2.5億個信號光子，結合上下行光通信實現密鑰的實時提取，一次過軌對接實驗可生成250kbits-1Mbits的安全密鑰，平均成碼率可達3kbps。以衛星作為可信中繼，研究團隊進一步實現了地面相距12900公里的北京站和南非斯泰倫博斯站之間的密鑰共享和數據中繼。

圖為量子微納衛星“濟南一號”星地量子密鑰分發實驗示意圖

圖為中國—南非“一次一密”加密傳輸的圖片 左圖：長城照片；右圖：南非斯坦陵布什大學（Stellenbosch University）實驗現場

該研究工作為未來發射多顆微納衛星構建“量子星座”奠定了堅實基礎，不僅為大規模實用化量子通信網絡的建設提供了關鍵技術支撐，更為量子互聯網的全球部署開辟了新的發展路徑。

《自然》雜志審稿人稱贊該成果是 “技術上令人欽佩的成就”，代表了“基于可信節點量子星座提供廣域衛星量子密鑰分發服務的長足進步”，并“展示了衛星量子密鑰分發 技術的成熟，代表了實現量子和經典通信衛星星座的里程碑”。《自然》雜志還以“向長距離安全量子通信的現實飛躍”為題配發研究簡報進行報道，《自然》播客、著名科學雜志英國《新科學家》等也對該工作進行了專題報道。

量子科技“濟南力量”凸顯

實用化量子通信技術全球領先

近年來，濟南市積極布局量子科技這一未來產業，濟南高新區建設5.2萬平方米的“三樓一體”產業載體，專門支持量子產業發展，量子科技的“濟南力量”日益凸顯。

截至目前，國家實驗室濟南基地落地，承接重大科學任務；國內唯一、國際首個量子計算與測量領域標準化技術委員會（SAC/TC 578）獲批，支撐山東成為世界量子信息標準化的核心陣地；工信部“國家5G應用安全創新推廣中心”落地濟南，探索量子密鑰服務、量子密鑰加密帶寬服務的商業模式，推進量子通信技術創新和產業生態穩步形成。全市集聚量子信息及相關企業30余家，從業人員達到800余人，總市值超過50億元，在實用化量子通信技術研究和量子通信產業化方面處于世界領先地位。

2022年成功發射的全球首顆量子微納衛星以“濟南”命名；2023年底，濟南市量子信息產業集群入選省級未來產業集群；本月初，“祖沖之三號”刷新量子計算優越性世界紀錄，該超導量子計算原型機的部分核心部件也在濟南研制。在山東省、濟南市的支持下，濟南量子院建成了國內最大規模集成先進制程的超導量子處理器工藝線，正在開展基于超導體系的大規模表面碼糾錯研究。

下一步，研究院將繼續深耕量子通信領域基礎研究與應用基礎研究，力求創造更多突破性成果，不斷拓展量子通信應用場景，朝著構建大規模實用化量子通信網絡的目標持續探索前行，以量子技術革命性突破服務國家信息安全重大需求。（段婷婷）