中國量子衛星又突破！實現實時通信，邁出全球量子網絡重要一步

中國量子衛星再次取得突破，中科大、中科院的團隊將衛星重量縮減了一個數量級，僅爲23公斤，並通過便攜式地面站實現了實時的空對地安全通信，這意味着向全球量子網絡邁出了重要一步。這項研究已發表在8月20日預印服務器ArXiv上。

傳統通信主要依賴複雜的數學算法來加密信息，隨着計算機技術的進步，這些加密方法逐漸面臨被破解的風險。量子衛星可以利用量子糾纏或單光子協議，通過量子密鑰分發（QKD）技術來確保通信的安全性。一旦有人試圖截取密鑰，系統就能立刻發現並中斷通信，從而確保通信的本質安全，這點在軍事領域尤爲重要。

需要強調的是，量子衛星只是通過量子糾纏或其他量子技術來分發密鑰，實際的信息仍然需要通過傳統加密方式傳輸，並不是一些人想象中通過量子糾纏來超光速或瞬時傳送信息，量子糾纏瞬間傳送信息是違反相對論原理的，不可能實現。

此前中科大已在2016年發射了墨子號量子衛星，重量爲631公斤，在全球首次實現了超過1200公里的量子密鑰分發，爲科學界帶來了重大突破，獲得了美國《科學》雜誌克利夫蘭獎。

簡單來說，量子衛星就是天上一個望遠鏡，地上一個望遠鏡，把它們精準對齊來傳遞信號。研究人員在墨子號基礎上開發出了微型量子衛星濟南一號，望遠鏡口徑200毫米，整星質量96公斤，有效載荷僅23公斤，體積小但功能強大，於2022年7月發射進入500公里的太陽同步軌道。

同時開發的還有僅重100公斤的便攜式地面設備，比原來的13噸降低了兩個數量級，望遠鏡也從米級口徑降到了280毫米。經過兩年的測試，這套系統通過雙向光通信實現了量子密鑰與經典數據的並行傳輸，衛星一次過境完成了59萬比特的安全密鑰共享，這意味着走出了實現全球量子網絡的第一步。

根據墨子號項目提出的目標，中國將在2030年建成20顆衛星規模的全球量子通信網絡。

量子衛星安全通信的關鍵是保持衛星和地面站的精確對準，因爲它是利用激光通信，而衛星在軌道上速度極快，每秒達7.6公里，僅10到15分鐘就會掠過地面設備所在的天空，這意味着必須非常精確地相互對準才能傳輸和接收數據，也就是說是一對一的點對點通信。

這和馬斯克星鏈衛星還不一樣，星鏈衛星地面終端使用相控陣天線，無需轉動就可快速跟蹤多個高速運行的衛星，可快速切換保持無縫通信。而星鏈衛星本身採用的是Ku波段和Ka波段的高頻天線，可以和多個地面終端通信。

所以量子網絡可能無法建成像星鏈那樣的大規模商用全球網絡，但在點對點的高度安全通信上無疑更具優勢。

研究人員目前正在研究將量子密鑰分發系統集成到光子芯片中，進一步縮小衛星重量和體積，便於更快捷地部署。也在探討白天對地密鑰分發的可能性，這樣就可以實現全天候的安全通信服務了。

這項研究的另一個方向是開發量子中繼器，通過糾纏交換技術擴展量子密鑰分發距離，從而突破單顆衛星的限制，實現更大範圍的量子密鑰分發，形成跨大氣層和地面光纖的廣域量子通信，爲全球量子互聯網鋪平道路。