從中國到南非 中國首次實現上萬公里星地量子通信創世界紀錄

一頭連接亞洲東部的中國，一頭連接非洲大陸最南端的南非，以中國微納量子衛星為橋樑，中非聯合科學研究團隊近期成功實現1萬2900多公里距離的洲際量子通訊。

新華社報導，新華社20日從中國科學技術大學了解到，學校科研人員潘建偉、彭承志、廖勝凱等與國內外多個科研團隊合作，在國際上首次實現量子微納衛星與小型化、可移動地面站之間的實時星地量子密鑰分發，在單次衛星通過期間實現了多達100萬比特的安全密鑰共享。他們與南非斯泰倫博斯大學科學研究團隊合作，在中國和南非之間相隔12900多公里的距離上建立量子密鑰，成功將一張中國長城圖片和一張南非實驗現場圖片完成「一次一密」加密，實現跨越南北半球的遠程安全傳輸。

報導稱，基於量子金鑰分發的量子保密通訊是迄今唯一可實現「資訊理論可證」安全性的通訊方式，將大幅提升現有資訊系統的資訊安全傳輸水準。經過十幾年的努力，使用光纖傳輸的城域城際量子通訊已發展成熟並初步應用，但要實現跨洲聯洋的全球性遠程量子通信，需要藉助量子衛星平台。利用衛星平台進行自由空間量子金鑰分發，能夠突破光纖等傳輸限制，實現全球範圍的量子保密通訊。

中國科學技術大學教授級高級工程師、「濟南一號」計畫負責人廖勝凱介紹說，「以前要實現一次星地間的量子通信，大約需要三四天時間，現在已經可以實現實時通信。」此外，「濟南一號」的載荷重量只有約23公斤，重量不到「墨子號」的十分之一，而光源頻率提升約6倍。

2016年，中國潘建偉科研團隊主導的世界首顆量子科學實驗衛星「墨子號」發射升空，在世界上首次實現衛星與地面之間的量子通訊。然而其成本高、覆蓋範圍有限。科學研究人員嘗試發射造價更低、身材更「苗條」的微納衛星，多顆網路組成高效率、實用化、全球化量子通訊網路。

2022年7月，中國發射國際首顆量子微納衛星。 「這顆微納衛星的成本只有『墨子號』的二十分之一，衛星自重、載荷重量也降低約一個數量級，但光源頻率提升約6倍。」廖勝凱說，研究團隊同時升級了小巧輕便的地面站系統。

報導稱，據悉，與9年前相比，此次實現連接亞非兩大洲的量子通信，在通訊性能和設備整合等方面都有重大提升。當年的第一代量子通訊衛星地面站重約13噸，現在只有不到100公斤重，可以方便部署到城市、山區、高原等各種環境。這些技術進步提升了量子通訊的實用性和經濟性，為大規模量子通訊網路的建置提供了關鍵技術支撐，使實現全球化量子通訊成為可能。

此次，量子微納衛星與中國濟南、合肥、武漢、北京、上海以及南非的斯泰倫博斯等地面光學站建立光鏈路，實現即時星地量子密鑰分發實驗。以衛星作為可信中繼，研究團隊進一步實現了地面相距12900多公里的北京站和南非斯泰倫博斯站之間的密鑰共享和數據中繼。

這項研究工作為未來發射多顆微納衛星建構「量子星座」奠定了堅實基礎，不僅為大規模實用化量子通訊網路的建設提供了關鍵技術支撐，更為量子網路的全球部署開闢了新的發展路徑。

3月20日，國際學術期刊《自然》雜誌刊發論文，介紹了這次全球南北半球國家之間的首次量子通信，稱其為「向長距離安全量子通信的現實飛躍」。審稿者稱讚此成果是「技術上令人欽佩的成就」「展示了衛星量子金鑰分發技術的成熟」。