世界首颗量子微纳卫星升空记

光子盒 2023-04-26

The following article is from 墨子沙龙 Author 林梅

七月的内蒙古阿拉善盟额济纳旗，到处晴空万里，酒泉卫星发射中心就位于这片沙漠绿洲之中。今天，我国起飞量级最大的固体推进剂运载火箭——力箭一号，傲然立于这片平坦的土地，它昂首挺拔，在湛蓝的广袤天空下，显得英姿飒爽，蓄势待发。

7月27日午时12点12分，随着倒计时口令的结束，力箭一号在轰鸣声中一飞冲天。它用最骄傲的姿势完成着自己的首飞，头也不回地向深空进发。作为四级火箭，力箭一号将在升空后层层剥离自身的大部分，最终把自己携带的六颗卫星完好平稳地送入预定轨道。

（图源：新华社）

这六颗星中，有一颗，叫做——“济南一号”。今天就和小墨一起来认识一下这颗初生的小卫星吧。

济南一号示意图

“济南一号”是世界首颗量子微纳卫星，由合肥国家实验室、中国科学技术大学、中科院上海技术物理研究所、中科院上海微小卫星创新研究院、济南量子技术研究院等联合研制。可以说，这颗小小的卫星，集万千宠爱于一身，更是集万千期待于一身。为什么这么说呢？这可能还得从6年前成功发射的“墨子号”说起。

“墨子号”是一大步，却也是一小步

对于很多科学爱好者来说，真的认识“量子通信”，可能就是源于“墨子号”带来的震撼。“墨子号”是世界首颗量子通信实验卫星，通过“墨子号”，人类第一次将量子的玄妙在星地之间进行演示，也是人们第一次在这么大的空间尺度上验证了量子保密通信这种无条件安全的通信方式。因此，它得到了许多普通人的关注和期待。

“墨子号”没有辜负大家的厚爱，在轨运行这些年，它先后进行了星地量子密钥分发、星地双向量子纠缠分发、地星量子隐形传态实验，这些科学实验第一次在自由空间验证了量子力学的正确性，也证明了，用卫星的方式进行量子保密通信是可行的。紧接着，洲际量子密钥分发、基于纠缠的无中继量子密钥分发等一系列实验相继进行。同时，地面光纤量子通信网络也初步建成，和“墨子号”一起，构成天地一体化广域量子保密通信网络的雏形，更是令人们对量子保密通信网络的实用性信心满满。因此，“墨子号”是一大步。

千公里级的星地双向量子纠缠分发

星地量子密钥分发实验示意图

量子隐形传态实验示意图

但是，信心归信心，“墨子号”只是为我们搭了个雏形，实用化、全球化的量子保密通信网络，还存在不小的挑战。从这个角度说，“墨子号”也是一小步。

“小而美”的“济南一号”

仅仅依靠一颗“墨子号”，还是有很大局限性。

根据量子力学基本原理，量子具有不可克隆性，原理上，任何复制、探测、窃听行为，都无所遁形。为了将其变成可实现的通信方案，人们发明了各种量子密钥分发协议。比如最早的“BB84协议”以及它的各种衍生版本就是其中的代表，利用BB84协议分发密钥大致的过程是，发送方将若干个不同偏振状态的光子随时间先后逐个发送给接收方，接收方随机使用“十”字或“X”字偏振片将送来的光子逐一过滤，将过滤后的这些光子的状态记录下来。接下来就是密钥产生的关键步骤了：接收方通过经典信道把自己每次使用的是哪种偏振片告知发送方，发送方将其与自己使用的偏振片序列逐一对照，然后告知接收方哪几次用了正确的偏振片，这组正确偏振片留下的代码就是它们双方共享的密钥。

了解了这个过程，我们就可以看出，量子密钥分发的成码，必须要发送方和接收方之间存在一条经典信道，供双方进行偏振片的比对。那么可想而知，这条信道是否高效、顺畅、稳定，对于现实中的量子密钥分发使用者来说，格外重要。

而这一点，对于目前的“墨子号”来说，是一个弱点。“墨子号”选取了微波信道作为经典信道，需要借助现有的地面微波测控中心进行经典数据交互。信道资源极其有限，有时候排队几天、几周都不一定能排上号，导致成码效率非常低。

另外，一些现实中的技术方案也对“墨子号”的安全性构成一定风险。我们知道，量子密钥分发通常都是将“偏振”这个自由度作为光子的辨识，虽然理论上，在BB84协议下，窃听者不能复制你的偏振信息而又不被发现，但是也存在一种可能——他利用别的特征，比如光的波长等侧信道作为识别光子的手段。就像一个人可以把自己的发型弄得跟周围人一样，不好区分，但是他的身高也许可以轻易出卖他。在这一点上，“墨子号”的多激光器方案并不完美，因为它产生的光子波长并不一定总是完全一样。

“墨子号”的局限性还包括其他方面，比如，仅有这么一颗卫星，你只能靠他过境的那几分钟进行通信，时间短（只有几分钟）、覆盖范围小（约1000公里），时不时还被天气影响。这些种种因素都限制了量子通信的实用化。

所以，为了能满足遍布世界各地的越来越多的用户的实际需求，人们需要找到一种经济的、灵活的、高效率的量子通信解决方案。简而言之就是，低成本、小型化、实时成码。于是，在低轨道上排布若干小型空间量子密钥分发终端，相应地在地面上建设小型化的地面站，二者配合，是实用化必然的技术路线选择。

“济南一号”就是这样一个被送上低轨的小型量子密钥分发终端。

“济南一号”是一颗微纳卫星，它的体量比“墨子号”小太多，它的量子密钥分发载荷只有23公斤，即使算上整星，也只有98公斤，仅是“墨子号”的六分之一，尺寸、功耗都大大减小，研发成本和发射成本都大大低于“墨子号”。

济南一号构型图

技术手段上，“济南一号”实现了一些革命性的方案：它的诱骗态光源采用的是单激光器方案，杜绝了潜在的窃听者利用光的波长等侧信道进行识别的可能，侧信息泄露风险大大降低；它的光源频率比“墨子号”提升了6倍，意味着它可以以更高的效率产生密钥；它的经典通信不再依赖少的可怜的微波信道，通过它和小型地面站之间自己的光通信，加上现在小型地面站约100kbit的单轨成码能力，就可以实时的进行密钥的提取和成码，时效性比“墨子号”提升了2-3个数量级；同时，光通信还预留了同步的数据传输功能，为以后用它进行一定的数据传输打下基础；另外，“济南一号”还加强了经典安全防护的设计，为的就是将来可以与现有的经典通信体系无缝链接。

虽然，对“济南一号”这样的小卫星来说，它的设计寿命可能没“墨子号”那么长，可得益于成本低，从商业化的角度来说，也没那么心疼，反而可以让每次运行中的低轨卫星都采用最新的技术，更有利于更新换代。

我们在把目光投向低轨微纳卫星的同时，也应当看到，这样的小卫星不是孤军奋战，它的军功章有一半要归功于地面与之配合的小型地面站。现有的2套小型地面站，目前一个在济南，一个在合肥正开展在轨测试实验。它们可谓麻雀虽小，五脏俱全，由光学望远镜、跟瞄硬件、电子学系统等部分组成，配备瓦级的激光器，保证上下行数据的传输。而且它特别灵活，可以根据需要转移到不同城市。

同时，已有的原本用于“墨子号”的地面站也可以通过升级改造利用起来，让它们也可以为低轨的微纳卫星服务。还要想办法，让它们和卫星一起升级，最好在白天的嘈杂背景下，依然可以稳定工作。

“济南一号”从立项到发射升空，已近两年，可是研发卫星本身并不是该项目的全部，发射升空更不是项目的终结，未来两年，它将在星地之间完成与量子密钥分发有关的各项实验，甚至还要承担其他科学实验任务。如果一切顺利，它将第一次在世界上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，向构建实用化的量子通信网络迈出重要一步。

济南一号和研制团队成员（部分）合影

让量子成为信息的保护神

实用化、完整的、全球化的空地一体广域量子通信网络体系应该是什么样的呢？

我们可以类比交通网。如今的人类，可以在地球上两个距离遥远的城市间方便地往来，再也不用像古代那样，提前两个月进京赶考，更不用为了下西洋，而把自己交给未知的海洋和漫长的漂泊。之所以如此便利，是因为实用化的交通网络——出国有航班，跨省有高铁，高速公路、轻轨、地铁、公交适用短途，这些方式立体化地为我们的出行提供解决方案。量子通信网络面对越来越多的用户，用户的位置、保密需求也会各不相同，所以，这个网络也应该是立体的。

按照规划，这个网络应该是“中高轨量子卫星+低轨量子通信卫星星座+大规模地面光纤量子通信网络”的基本架构。三者相互配合，互为补充。目前，地面上的量子骨干网络正在建设中，未来，会有更多类似“京沪干线”这样的量子骨干光纤网络，覆盖中国大部分地区，同时，也会有“短途”的城域网与之配合。

在中高轨量子卫星方面，科研人员会针对全天时、大覆盖的需求，研发可以在白天进行量子密钥分发的同步轨道卫星。可以想象，卫星如果保持与地球自转同步，它就可以看做一直停留在我们头顶上方，再加上全天时、大覆盖的加持，会成为量子通信及其有利的工具。

而对于我们今天的主角——低轨量子通信卫星来说，实用化的目标就更加明确了。在此次“济南一号”项目中，科研人员完成了模块化微纳卫星平台的研制，为后期微纳卫星研发的降本增效打下了基础。未来，计划还要发射几个类似的卫星，用于搭载量子密钥分发空间终端，布局低轨，形成星座，这样就可以为全球的100多个用户提供满足他们需求的密钥更新服务。这些运行于低轨的卫星，就像忠诚的“信使”，不论你身处繁华都市，还是位于偏远海岛，始终守护你的信息安全。

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