量子|解密世界首颗量子微纳卫星的前世今生

近日，世界首颗量子微纳卫星“济南一号”搭载中国科学院“力箭一号”运载火箭成功发射。目前， “济南一号”已进入既定轨道，太阳能帆板成功打开，即将开展在轨测试和星地联试工作。
“济南一号”的上天，有望让我国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，构建低成本、实用化的天地一体化量子保密通信网络。这意味着，作为国际上率先开展下一代空间量子科学实验研究的国家，我国在该领域的领先地位得以保持。
2016年8月16日， “济南一号”的前辈——世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”在酒泉卫星发射中心发射。它升空后第一个发布的成果，就获得了美国科学促进会的“克利夫兰奖” 。这是该奖项设立90多年来，我国本土的成果首次获得这一殊荣。
此后， “墨子号”又首次实现了星地量子密钥分发、洲际量子密钥分发等一系列空间量子科学实验，并与地面光纤量子密钥分发干线，构成天地一体化广域量子保密通信网络雏形，开展了一系列应用验证。截至目前，原定使用寿命两年的“墨子号”仍在超期服役。
但就是这样厉害又勤劳的“墨子号”也有局限性，它作为一颗低轨卫星，经过一个地面站的时间只有6分钟左右，仅能覆盖直径1000公里的范围，而且只能在地影区工作，还时不时被天气影响。
“‘墨子号’只是一个起点，从实用的角度来说，必须要构建由高、中、低轨道卫星组成的量子星座，建立覆盖全球的量子通信网络。 ”中国科学院院士王建宇表示， “目前，我们至少领先国际水平5年，如果基于中高轨的万公里量子通信卫星顺利发射，我们将至少领先10年。 ”
【量子|解密世界首颗量子微纳卫星的前世今生】“领先” ，也意味着在该领域我国没有任何先例可供参考。为了顺利完成科研攻关，产学研共同联手。 2020年5月，中科院量子信息与量子科技创新研究院牵头立项微纳量子卫星项目。
“科研团队突破了多项关键技术，这才有了‘济南一号’的诞生。 ”卫星项目负责人之一、中国科学技术大学教授廖胜凯告诉采访人员。 “济南一号”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、功耗大大减小，研发成本和发射成本远低于“墨子号” 。
与“济南一号”配合的地面站，在小型化方面也取得突破性进展，其重量由12吨左右降至100公斤以下，安装部署时间由数月降低至数小时。起源于中国科大的产业主体——科大国盾量子技术股份有限公司参与“济南一号”地面应用系统、小型化地面站的研制、建设和运行。
据科大国盾量子副总裁唐世彪介绍， “济南一号”可以实时地进行密钥提取和成码，时效性比“墨子号”提升了2-3个数量级。
“济南一号”由多家科研单位联合产业力量共同完成，科研团队成员平均年龄仅30岁左右。就是这样一支年轻团队，在研发过程中还经历了一次特殊考验。
今年3月，在完成量子载荷的研制之后，团队紧锣密鼓地投入到整星的联调联试中。当时，上海正遭遇新冠肺炎疫情，这座国际大都市进入全域静态管理状态。时间紧、任务重，人手又严重不足。在无法进行人员交换的情况下，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，终于在6月8日完成整星所有调试工作，将其运送酒泉，保证了发射任务的顺利进行。