突破与创新：济南量子科研团队引领量子通信实用化浪潮

本文聚焦济南量子技术研究院联合多方团队在量子通信领域取得的重大突破。详细介绍了“济南一号”微纳量子卫星与地面站实现实时星地量子密钥分发，以及在中非远距离建立量子密钥、完成图像数据加密传输等成果。还阐述了量子通信的发展背景、研究过程中的关键技术突破，以及济南在量子科技产业布局和发展方面的突出表现。

通信安全，是国家信息安全与经济社会稳定发展的重要基石。在如今的信息时代，保障通信安全的需求愈发迫切。基于量子密钥分发的量子保密通信，是迄今唯一能够实现“信息论可证”安全的通信方式，它可以大幅提升现有信息系统的安全传输水平。目前，基于光纤链路的城域城际量子通信已经发展成熟，并初步得到了应用。然而，要实现远距离乃至全球化的量子保密通信，还面临着诸多挑战，比如光纤存在的固有损耗以及难以覆盖全球的问题。利用卫星平台进行自由空间量子密钥分发，成为了克服这些限制、实现全球范围量子保密通信的有效途径。

济南量子技术研究院联合中国科学技术大学、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，组成了一支实力雄厚的研究团队。该团队在国际上首次实现了“济南一号”微纳量子卫星与小型化、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，就能够实现多达100万比特的安全密钥共享。在此基础上，联合团队与南非斯坦陵布什大学科研团队展开合作，在中非之间12900多公里的距离上成功建立了量子密钥，并完成了对图像数据“一次一密”的加密和传输。这一工作为实用化卫星量子通信组网铺平了道路。相关研究成果于2025年3月20日在线发表在了国际学术期刊《自然》杂志上。

卫星部分荷载济南研发

小型化地面站部署助力可移动量子通信

研究院与多家科研机构协同攻关，在星地量子通信方面开展了一系列开创性的研究。2017年，中国科学技术大学牵头研制的“墨子号”量子科学实验卫星在国际上首次实现了星地量子密钥分发，并与地面光纤量子保密通信骨干网“京沪干线”构成了首个天地一体化广域量子保密通信网络，这充分验证了基于卫星实现全球化量子通信的可行性。不过，由于“墨子号”量子卫星无法直接覆盖全球，且成本较高，因此，发射多颗低成本微纳量子卫星并实现组网运行，成为了构建高效率、实用化、全球化量子通信网络的迫切需求。

为了实现这一目标，研究团队付出了艰辛的努力，成功突破了多项关键技术，如低成本小型化诱骗态量子光源技术、复合激光通信的实时密钥提取技术、基于卫星姿控的高精度跟瞄等。他们还完成了星载量子密钥分发载荷、量子微纳卫星平台的研制。量子微纳卫星载荷重量约23kg，比“墨子号”降低了约一个数量级，光源频率提升了约6倍，密钥生成时效性也从数天时间完成提高到了单轨实时成码。2022年7月27日，国际首颗量子微纳卫星“济南一号”成功发射入轨，其中部分荷载器件由研究院负责研发。

图为部署在研究院科研楼顶的小型化地面站

早在2019年，研究院团队就启动了小型化量子通信卫星地面站系统项目。2019年12月30日23时31分至39分，部署在研究院楼顶的卫星地面站与“墨子号”对接测试成功，这标志着我国首个小型化可移动量子卫星地面站在济南建设完成。此后，科研人员继续推动量子卫星地面站的小型化研究。完成此次实时星地量子密钥分发的一台卫星地面站就部署在研究院的楼顶，重量仅100kg，而首代地面站重达13吨。这款新型卫星地面站系统适应城市、山区、高原等各类环境，能够快速部署，从原理上已可支撑移动量子通信。

在12900公里距离实现量子密钥分发

为构建“量子星座”奠定坚实基础

在本次研究工作中，“济南一号”量子微纳卫星与济南、合肥、南山、武汉、北京、上海、南非斯泰伦博斯等地面光学站建立了光链路，成功实现了实时星地量子密钥分发实验。星载量子诱骗态光源平均每秒发送2.5亿个信号光子，结合上下行光通信实现了密钥的实时提取，一次过轨对接实验可生成250 kbits – 1Mbits的安全密钥，平均成码率可达3 kbps。以卫星作为可信中继，研究团队进一步实现了地面相距12900公里的北京站和南非斯泰伦博斯站之间的密钥共享和数据中继。

图为量子微纳卫星“济南一号”星地量子密钥分发实验示意图

图为中国 – 南非“一次一密”加密传输的图片（左图：长城照片；右图：南非斯坦陵布什大学（Stellenbosch University）实验现场）

该研究工作为未来发射多颗微纳卫星构建“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。《自然》杂志审稿人称赞该成果是“技术上令人钦佩的成就”，代表了“基于可信节点量子星座提供广域卫星量子密钥分发服务的长足进步”，并“展示了卫星量子密钥分发技术的成熟，代表了实现量子和经典通信卫星星座的里程碑”。《自然》杂志还以“向长距离安全量子通信的现实飞跃”为题配发研究简报进行报道，《自然》播客、著名科学杂志英国《新科学家》等也对该工作进行了专题报道。

量子科技“济南力量”凸显

实用化量子通信技术全球领先

近年来，济南市积极布局量子科技这一未来产业。济南高新区建设了5.2万平方米的“三楼一体”产业载体，专门支持量子产业发展，量子科技的“济南力量”日益凸显。截至目前，国家实验室济南基地落地，承接重大科学任务；国内唯一、国际首个量子计算与测量领域标准化技术委员会（SAC/TC 578）获批，支撑山东成为世界量子信息标准化的核心阵地；工信部“国家5G应用安全创新推广中心”落地济南，探索量子密钥服务、量子密钥加密带宽服务的商业模式，推进量子通信技术创新和产业生态稳步形成。全市集聚量子信息及相关企业30余家，从业人员达到800余人，总市值超过50亿元，在实用化量子通信技术研究和量子通信产业化方面处于世界领先地位。

2022年成功发射的全球首颗量子微纳卫星以“济南”命名；2023年底，济南市量子信息产业集群入选省级未来产业集群；本月初，“祖冲之三号”刷新量子计算优越性世界纪录，该超导量子计算原型机的部分核心部件也在济南研制。在山东省、济南市的支持下，济南量子院建成了国内最大规模集成先进制程的超导量子处理器工艺线，正在开展基于超导体系的大规模表面码纠错研究。

下一步，研究院将继续深耕量子通信领域基础研究与应用基础研究，力求创造更多突破性成果，不断拓展量子通信应用场景，朝着构建大规模实用化量子通信网络的目标持续探索前行，以量子技术革命性突破服务国家信息安全重大需求。

本文介绍了济南量子技术研究院联合多方团队在量子通信领域的重大突破，包括“济南一号”实现星地量子密钥分发、中非远距离量子密钥建立等成果。阐述了量子通信发展背景、关键技术突破及济南在量子科技产业的布局与成就。研究成果为实用化卫星量子通信组网、“量子星座”构建和量子互联网全球部署奠定基础，凸显了济南在量子科技领域的领先地位和重要作用。