世界首颗量子微纳卫星“济南一号”成功发射

今年春夏之交，上海进入全域静态管理，市民们齐心协力抗击疫情。然而看似“停下来”的城市并没有静止，无数平凡而伟大的人们以各种方式贡献着自己的力量。有这样一群科研人员，他们当时正面临一项重要而时间紧急的任务。这项科研任务，需要精密、细致的调试和攻关，容不得半点差错，同时，还不得不应对紧迫的时间。在无法进行人员交换的现实情况下，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10余人，日夜轮班，相互打气，终于赶在预定时间完成了任务。

是什么任务，时间如此紧迫，还如此容不得错呢？答案在今天揭晓。

今日中午12点12分，在我国酒泉卫星发射基地，由中国科学院力学研究所和广东中科宇航智能技术有限公司联合研发的我国起飞量级最大的固体推进剂运载火箭——“力箭一号”进行首飞。“力箭一号”的首秀可谓重任在肩，它带着六颗卫星一飞冲天，它们将在各自的轨道完成不同的使命。

其中有一颗卫星，就是世界首颗作为量子密钥分发终端的微纳卫星——“济南一号”。“济南一号”由合肥国家实验室牵头研制成功，团队成员平均年龄仅仅约30岁，从2020年5月立项算起，他们已经为这颗小卫星奋斗了整整两年。

说起量子通信，2016年成功发射升空的“墨子号”科学实验卫星是家喻户晓的大明星。在太空中运行的这几年，“墨子号”除按预定计划完成了既定任务之外，还超额完成了多项拓展实验，并且至今仍在超期服役：借助位于“墨子号”，人类第一次在太空和地面之间完成了量子密钥分发、量子纠缠分发、量子隐形传态等科学实验，并且也实现了洲际量子密钥分发和基于纠缠的无中继量子密钥分发等实验。这一系列开创性成果，结合地面上的量子保密通信“京沪干线”，为天地一体化量子密钥分发网络的建立打下了坚实基础。

虽然“墨子号”在量子密钥分发方面具有划时代的意义，但是从实用的角度说，想要建立完整的、具有广泛应用意义的全球量子保密通信网络，仅有一颗“墨子号”还远远不够。

根据量子密钥分发的原理，双方要想共享一个“密码本”，除了需要通过量子信道传递光子，还需要经典信道进行“对照”，进而知道手上哪些光子可以生成需要的码。所以，经典信道畅通与否、效率高低，直接影响量子保密通信网络的实用性。在这一点上，发射于六年前的“墨子号”有一些不足，其经典信道采用的“微波”，需要借助现有的地面微波测控中心进行经典数据交互，受制于有限的信道资源，成码效率始终难以提升。此外，“墨子号”通信时间短、覆盖范围小、成本高等短板，也需要在后来的“量子星座”建设中加以改进。此次发射的“济南一号”正是将目标瞄准“实用性”，围绕上述短板攻艰克难，探索出“低轨微纳卫星+小型化地面站”技术路线。

我们了解到，此次发射的“济南一号”可谓是高性价比的代表，在小型化、低成本、实时成码三个方面取得了不小的进步。

与“墨子号”相比，“济南一号”成功“瘦身”，它的量子密钥分发终端仅仅重约23公斤，是“墨子号”的五分之一。在诱骗态光源方面，“济南一号”光源频率比“墨子号”提升了六倍，且采用了单激光器方案，有效降低了侧信息泄漏风险。尤其值得一提的是，“济南一号”采用光通信作为经典信道，利用卫星—小型地面站之间的光通信，配合地面站分钟级的密钥提取效率、约100kbit的单轨成码能力，星地之间密钥生成时效性较“墨子号”提高2-3个数量级，还具备了同步数据传输能力。此外，经典安全防护设计得到了加强，能够与现有的通信系统安全体系更好地兼容。

济南一号实拍图

今年三月，在完成了量子载荷的研制之后，团队紧锣密鼓地投入到了整星的联调联试中。整星质量约为98公斤，除了载荷模块之外，还配备综合电子模块、姿控模块、推进模块、太阳电池阵以及其他必要的测控装置。虽然载荷本身已经通过验收测试，但作为必须运行在太空中的整星，将会置身于温度、振动、磁场等各种极端的外部环境，所以还是要通过层层考验。我们开头已经提到，当时正值上海疫情最特殊的时期，在3月到6月期间，科研团队在人员有限、无法补充的艰难条件下，超负荷运转，终于在6月8日完成整星相关所有调试工作，将其运送酒泉。

据悉，“济南一号”量子微纳卫星在成功发射之后，仍需进行为期一个月的在轨测试，之后将正式投入运行，完成与量子密钥分发相关的各类科学实验和应用推广。

对于完整的空地一体广域量子通信网络体系来说，“济南一号”只是其中低轨卫星网络的开始。因为，想要最终实现实用化、全球化的量子通信网络，满足数目日益增长、现实需求不同的客户，必须科学布局中高轨量子卫星、低轨量子通信卫星星座和大规模的地面光纤量子通信网络，根据实际需要，三个体系相互配合。

但同时，“济南一号”又是重要的一大步，它标志着我国将在世界上首次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。未来，位于低轨的“济南一号”不会寂寞，它将会迎来另外几个“兄弟姐妹”，这几个低轨的量子密钥分发终端，可以为全球大约100多个用户提供高频、安全的量子密钥服务。

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