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的研究团队，在国际上首次实现“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实现多达100万比特的安全密钥共享。在此基础上，联合团队和南非斯坦陵布什大学科研团队合作，在中非之间12900多公里的距离上建立量子密钥，完成对图像数据“一次一密”加密和传输。该工作为实用化卫星量子通信组网铺平道路。相关研究成果于2025年3月20日在线发表在国际学术期刊《自然》杂志上。

图为济南量子技术研究院

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

通信安全是国家信息安全和经济社会发展的重要基础。基于量子密钥分发的量子保密通信是迄今唯一可实现“信息论可证”安全的通信方式，可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发展成熟并初步得到应用，而远距离乃至全球化的量子保密通信，还需要克服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，能有效克服这些限制，实现全球范围的量子保密通信。

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”构成首个天地一体化广域量子保密通信网络，充分验证了基于卫星实现全球化量子通信的可行性。由于“墨子号”量子卫星无法直接覆盖全球且成本较高，发射多颗低成本微纳量子卫星并实现组网运行，成为构建高效率、实用化、全球化量子通信网络的迫切需求。

朝着这一目标，研究团队成功突破了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关键技术，并完成星载量子密钥分发载荷、量子微纳卫星平台研制。量子微纳卫星载荷重量约23kg，比“墨子号”降低约一个数量级，光源频率提升约6倍，密钥生成时效性由数天时间完成提高到单轨实时成码。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，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，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光链路，实现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密钥的实时提取，一次过轨对接实验可生成250kbits-1Mbits的安全密钥，平均成码率可达3kbps。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

近年来，济南市委、市政府高度重视量子科技和产业发展，在平台建设、人才引培、项目研发、成果转化等方面，加大政策扶持和资金支持力度，积极牵线搭桥、协调服务，集聚政府资本、基金资本、金融资本、社会资本全方位参与量子科技和产业发展，加快推进创新链、产业链、资本链、价值链深度融合，初步搭建了从量子科学基础研究、标准化建设、核心元器件研制、产品开发到场景应用的全产业链条，形成了量子通信、量子计算、量子精密测量全领域布局。

基础科研实力雄厚。布局建设了国家实验室济南基地、济南量子技术研究院等科技创新平台，世界首颗量子微纳卫星“济南一号”发射升空，创造了光纤中1002公里点对点远距离量子密钥分发世界纪录，为“祖冲之三号”提供了超导量子处理器等核心部件，实现周期极化铌酸锂晶体和波导芯片全产业链自主化、国产化，抢占量子科技国际竞争和未来发展的制高点，多项科研成果处于世界领先地位。

产业发展全国领先。济南市作为量子保密通信“京沪干线”的重要节点城市，建成当时最大规模实用化城域量子通信网络“济南量子通信试验网”、首个商用化量子通信网络“济南市党政机关量子通信专网”、全球首套小型化可移动量子卫星地面站等“量子+”重大应用示范工程。建成全国最大的光量子雷达监测网，实现光量子计算教学机在教育领域、太赫兹安检产品在公共安全领域的示范应用，研发出业界首个纳米厚度铌酸锂单晶薄膜材料，ppKTP晶体、铌酸锂波导、高性能光频梳等核心产品实现进口替代化……

标准研制抢占制高点。打造国家级“量子+”标准应用示范平台，落地全国量子计算与测量标准化技术委员会，组织制定了我国首个量子信息领域的国家标准，先后牵头制定发布国家标准3项、参与制定发布国家标准5项，牵头或参与制定发布行业标准10项。

下一步，济南市将强化科技创新和产业创新深度融合，全力支持济南量子技术研究院等优势单位牵头承担量子领域国家科技创新重大专项，推动更多“从0到1”的原创性突破；同时，围绕量子计算、量子通信、量子精密测量三大领域，加快量子领域科技企业梯次培育、高水平科创平台建设、重大科技成果转化、应用场景拓展，为量子产业发展贡献济南力量。