摘要：该卫星能够将处于特殊量子状态的激光脉冲从北京的一处屋顶发送到开普敦附近斯泰伦博斯大学的另一处屋顶。这些脉冲形成一个量子密钥，用于加密两幅图像——一幅是中国的长城，另一幅是斯泰伦博斯大学校园的一部分。这一壮举是一种称为量子密钥分发 (QKD) 的加密技术，它朝着
冰箱大小的济南一号卫星，于 2022 年发射前拍摄。图片来源：Y. Li等人/ 《自然》
研究人员利用廉价、轻便的“微型卫星”将秘密加密密钥从中国发送到近 13,000 公里外的南非，打破了量子通信距离记录。
该卫星能够将处于特殊量子状态的激光脉冲从北京的一处屋顶发送到开普敦附近斯泰伦博斯大学的另一处屋顶。这些脉冲形成一个量子密钥，用于加密两幅图像——一幅是中国的长城，另一幅是斯泰伦博斯大学校园的一部分。这一壮举是一种称为量子密钥分发 (QKD) 的加密技术，它朝着能够在任何两个地点之间发送超安全信息迈出了一步，无论距离有多远。该研究于 3 月 19 日在《自然》杂志上发表。
量子网络是迈向超安全互联网的一步
这项研究的负责人、中国合肥科技大学量子物理学家潘建伟说，这颗名为济南一号的卫星比2016 年发射的“墨子号”轻 10 倍，便宜 45 倍，而且效率更高。
潘建伟的团队还将地面站接收器的重量从 13,000 公斤缩小到 100 公斤。“我们希望将这项技术从原理验证提升到真正实用的水平，”他说。潘建伟补充说，他的团队正在与总部位于北京的电信公司中国电信合作，计划在 2026 年再发射四颗微型卫星用于商业应用。
新加坡国立大学量子物理学家 Alexander Ling 表示：“这是全球 QKD 网络发展的又一个里程碑。”量子物理学家、Qubo Consulting 联合创始人 Katanya Kuntz 补充道，这颗卫星是实时部署此类加密技术的“重要一步”。Qubo Consulting 是一家总部位于加拿大卡尔加里的公司，致力于帮助其他公司采用量子技术。
研究人员利用量子密钥对这两幅图像进行加密，并将其从中国传输到南非。图片来源：中国科学技术大学
无法破解的密码物理学家认为，未来的量子计算机将能够破解多种类型的加密，但 Ling 说，QKD 等技术“可以非常有力地保证未来的量子计算机无法读取机密通信”。
银行和政府已经使用 QKD 通过光纤传输密钥。但这些电缆会吸收光子，从而限制信号传输的距离。由于光在空气中传播时被吸收的速率比在光纤中低得多，因此卫星可以充当中继器，在地球上几乎任何地方的两个地点之间发送密钥。
量子加密基于这样的理念：如果双方共享一个密钥，他们就可以对消息进行加密，使得只有他们自己才能解码。
潘的实验涉及发送处于“叠加”状态的激光脉冲，其中它们同时存在于两个量子态中，代表 1 或 0。通过比较发送方使用的设置与接收方用于测量脉冲的设置，双方可以计算出一组测量的 1 或 0 作为安全密钥。如果窃听者试图拦截信息，这会扰乱量子态并产生噪音，表明密钥已被泄露。
昆茨是量子加密和科学卫星科学团队成员，该卫星是一颗 QKD 卫星，将于明年由加拿大航天局发射，她表示，济南一号的装置包括“几项令人印象深刻的技术成就”。她说，地面和卫星之间的通信比以前的系统更快，这加快了加密速度。潘指出，该团队还能够通过让一些部件兼顾两件事来缩小卫星体积，例如，只使用一个装置既可以瞄准光束，又可以控制卫星的方向。
中国量子卫星扫清超安全通信道路上的重大障碍
然而，济南一号并不能完成其前身的所有功能。它无法产生“纠缠”光子，而纠缠光子可以实现各种加密，甚至对卫星来说，密钥都是隐藏的。在目前的系统中，济南一号负责处理密钥，“如果窃听者入侵了卫星，他们就可以获得密钥”，昆茨说。作为量子互联网的一部分，全球各地的量子计算机也需要纠缠来连接。将纠缠技术小型化比较困难，但潘建伟表示，未来开发具有此类设备的微型卫星将“完全可行”。
凌先生是新加坡公司 SpeQtral 的联合创始人，该公司致力于研发比济南一号更小更轻的 QKD 卫星。他说，目前全球大约有十几颗量子卫星正在准备发射。“随着公司和组织开始探索建立全球 QKD 网络的可能性，这一领域的投资和活动开始增加，”他说。
机构编号: https://doi.org/10.1038/d41586-025-00581-7
来源：人工智能学家