2025商业航天10大新赛道——卫星量子通信

量子通信是以量子力学为理论基础的量子信息学领域重要的应用分支，实践应用和前沿探索领域包括：量子密钥分发（Quantum Key Distribution，QKD）、量子隐形传态等量子通信技术。其中：量子密钥分发严格来说并不是利用量子直接进行信息传递，而是利用量子的叠加态等原理对传统通信进行加密的技术，也是目前量子通信领域最接近商用的技术。

具体来说，量子秘钥分发的过程利用了光子的偏振叠加态，即一个光子处于线偏基（0°或90°偏振）和斜偏基（45°或135°偏振）的叠加态。秘钥分发前，双方先按照协议使用不同的偏振基来对量子进行编码，例如0°或45°偏振的光子代表0，90°或135°偏振代表1。

密钥分发过程中，发送者可以预先制备一串（比如100个）随机偏振的光子并记录，然后发送给接收者。接收者在收到光子后也随机使用线偏基或斜偏基来测量并记录，如果双方使用的偏振基一致，则记录结果一致。随后通信双方公开比对偏振基，丢弃偏振基不一致的测量结果，保留下来的比特序列在理想情况下应高度一致。若误码率异常升高，则意味着量子态被扰动，通信存在被窃听的风险。

由于双方在经典信道分享偏振基的过程中并不直接分享01序列，且量子具有不可复制性、观测结果不可逆，任何窃听都会留下痕迹，因此，量子密钥分发在理论上属于无条件安全。

现代数字通信的加密的本质就是双方在规定好“密钥”的前提下，使用固定的“算法”，对想要传递的原文进行加密的过程。其中，密钥的分发是保证通信安全的重要前提，经典信道中，不管是利用光纤还是微波进行密钥分发都存在被窃听的风险，且窃听不会自动暴露。

因此设计一个“无条件安全”的密钥就成了保证全球互联网通信安全的前提。卫星量子通信之所以火起来，就与之有关。主要有两个原因：

一、量子通信重铸通信安全基石

RSA算法作为一种非对称加密方式，是现代通信中使用最为广泛的加密方式之一，可以说是互联网时代通信安全的基石，它的加密原理建立在大数的质因数分解难题基础上。但随着量子信息学的发展，量子计算的出现，对RSA算法的安全性产生了极大的挑战，甚至是完全颠覆了现代通信安全的基石。

通常来讲，这种大整数的质因数分解没有什么太好的办法，只能使用暴力破解，因此效率极低。使用人类最先进的计算机，破解RSA-2048（2048位数的秘钥）也需要数千万年，就算你破解了2048还有3072、4096……而数字每增加一位，破解的难度就会呈指数级增加。在经典计算机的计算方式下，RSA算法就是实际安全的。

自从量子计算机被提出之后，RSA算法的安全性直接被颠覆。理论研究表明，在理想条件下，具备足够规模和纠错能力的通用量子计算机，将对RSA等经典公钥体系构成根本性威胁。即使量子计算机目前还处于实验室阶段，人们也无法忽视它对现有互联网通信安全基石的挑战。于是，量子通信则成为了解决这个问题的最优解，它从根源上解决了密钥的安全分发问题。

但量子密钥分发也有自己的缺点，需要卫星量子通信来弥补通信距离的短板，这就是卫星量子通信火起来的第二个原因。

二、卫星链路拓展量子密钥分发全球应用

由于量子不可克隆原理，量子信号不能像经典通信那样被放大，又由于光纤信道的固有衰减，所以，量子通信的全球性应用，一直受到很大限制。利用外太空几乎真空光信号损耗非常小的特点，通过卫星辅助可以大大扩展量子通信距离。

总体来说，量子密钥分发在全球范围内也还处于关键技术验证的实验阶段，但包括中、美、欧盟在内的多地区都已经实现或提出了卫星量子通信实验的计划。建立以地面城市干线+卫星洲际分发的量子通信网络已经是实现量子密钥分发全球应用的共识。

因此，卫星量子通信也就成了实现全球通信安全升级、重铸全球通信安全基石的关键链路。

国内：

墨子号：提到卫星量子通信，那一定不能不提全球首颗量子科学实验卫星墨子号。该卫星由中科院国家空间科学中心抓总负责，上海微小卫星工程中心负责卫星平台，核心的量子试验载荷由中国科大和中科院上海技物所联合研制，空间中心牵头、对地观测与数字地球科学中心等单位参与地面支撑系统研制。

2016年，“墨子号”在酒泉发射升空，成为全球首颗量子科学实验卫星。2017年，该卫星实现了1200公里星地密钥分发；2018年，通过“墨子号”卫星平台，中国和奥地利之间实现了跨越洲际7600公里的量子密钥分发实验……就在今年，在全球首个“量子互联网”跨国试验项目中，中国的“墨子三号”量子卫星与欧盟的“量子链路”地面站合作，成功完成从中国合肥到瑞士日内瓦的量子密钥分发，链路跨度距离超过12000公里，密钥生成速率达到每秒千比特级。

此外，墨子号还进行了全球首次星地量子隐形传态技术实验。实验采用地面发射纠缠光子、天上接收的方式。卫星过境时与海拔5100米的西藏阿里地面站建立光链路，地面光源每秒产生8000个量子隐形传态事例，向“墨子号”量子卫星发射纠缠光子，实验通信距离从500公里到1400公里，所有6个待传送态均以大于99.7%的置信度超越经典极限。

济南一号：济南一号是一颗量子微纳卫星，它的主要成就是在确保星地量子通信性能不受影响的前提下，大幅降低包括卫星、有效载荷及地面站的重量（<100kg）和成本。为了实现这一目标，卫星在有效载荷方面，包括对量子密钥分发光源，以及星上捕获、跟踪和瞄准系统的优化，降低载荷的重量约一个量级；在地面，实现光学地面站的小型化、轻量化和快速部署，地面站的重量从十几吨降到200多公斤；同时，该卫星和地面站均集成了双向的激光通信，来支持实时的数据处理和保密通信。

美国：

中国指挥与控制学会对美国美军量子通信能力分析中指出：量子密钥分发技术目前已应用于美军核指挥控制、战略情报传输等高密级场景。2024年8月，美国空军与瑞士Terra Quantum公司签订合同推进QKD研究，后者通过传统光纤与光放大器结合方案，在1707公里光纤中实现每秒0.9比特的密钥速率，显著降低了对专用硬件设备的依赖。

在卫星量子通信方面，美军则致力于构建全球覆盖的卫星量子中继体系，2025年4月，波音公司与HRL实验室完成Q4S卫星任务核心组件验证，该设备为15公斤级太空级组件，该实验成功实现了四光子量子纠缠交换，纠缠保真度达0.8至0.9，每秒检测能力为2500对光子。其在极端环境下的稳定性已通过测试，按计划将于2026年执行在轨任务。

商业应用方面，2024年3月，美国太空软件平台供应商Antaris和新加坡量子通信技术公司SpeQtral宣布合作创建、交付和部署量子安全密钥分发卫星，预计在2026年之前将首颗卫星送入太空。

欧洲：2024年11月，欧洲航天局在比利时和卢森堡之间，成功进行了地面量子密钥分发测试，为后续在卢森堡和新加坡之间建立基于太空的量子密钥分发链路奠定了基础。而欧盟和欧空局也在积极推动名为EAGLE-1的量子通信卫星计划，计划于2026年发射进行轨道验证。

国家层面：政策驱动与战略需求

后量子密码时代和国密体系升级为QKD技术提供了顶层支持。国家将QKD列为“十五五”信息安全重点技术，要求2030年前实现规模化商用，并通过《商用密码管理条例》强化自主创新。卫星互联网作为新型基础设施，其安全需求（如星间通信、地面站数据传输）直接推动QKD在空天地一体化网络中的应用。

行业层面：卫星互联网与垂直领域

卫星互联网的全球覆盖特性对QKD提出刚性需求。2025年10月，美国加州大学圣迭戈分校和马里兰大学的研究人员使用800美元购买的消费级卫星接收设备，轻松截获了来自39颗GEO通信卫星的信号，这些信息包括T-Moblie等多家运营商的的未加密蜂窝网络回传流量，其中含有清晰的通话与短信内容、用户上网数据、公用事业基础设施的工业控制系统指令、沃尔玛的全球零售店的库存管理信息，甚至还有飞行途中的Wi-Fi数据。

该事件引起了北美卫星通讯市场的震动，也对卫星互联网的加密安全敲响了警钟。在中国低轨宽带互联网星座还未建成之前，我们有必要考虑卫星量子密钥分发技术在卫星互联网星座中应用的必要性。

商业层面：市场潜力与生态构建

• ‌运营商‌：中国电信计划30亿投入量子科技，构建“量子+云+AI”生态。

• ‌金融与军工‌：高安全场景采购需求明确，如智能网联汽车、船舶的密码应用。

• ‌技术成熟度‌：实用化星地QKD已实现，为大规模商用奠定基础。

目前，全球卫星量子通信的商用实验通常由载荷设计单位与传统通信大厂、卫星平台企业合作开发。其中，QKD载荷设计领域的主要玩家有：

国外：

泰雷兹：2025年1月21日，泰雷兹集团下属Thales Alenia Space与西班牙国家广播公司（Redeia）旗下卫星服务运营商Hispasat宣布，西班牙地球同步轨道量子密钥分发系统（QKD-GEO）原型机的研发、制造、验证和确认阶段正式启动。QKD-GEO项目预算为1.035亿欧元，由西班牙电信和数字基础设施国务秘书发起，并由欧洲复苏、转型和韧性计划（PERTE Aeroespacial）提供资金支持。

TESAT：欧洲EAGLE-1任务的QKD模块供应商。EAGLE-1是由欧洲航天局（ESA）和欧盟委员会支持的一项卫星QKD计划。TESAT将主要负责QKD有效载荷，包括可扩展光学终端SCOT80，以建立从太空到地面的安全光学链路，以及与IDG一同生产卫星的QKD模块。EAGLE-1系统有效载荷中集成的技术将包括内置冗余，专门设计用于政府、电信运营商、云提供商和银行等领域的卫星通信和数据传输，以增加加密应用程序的安全保障。

SPEQTRAL：一家专注于量子通信技术的新加坡企业，2019年SpeQtral发射了第一颗量子卫星SpooQy-1，是世界上第一颗成功在太空演示了光子偏振纠缠源和检测器的立方体卫星。2025年，SpeQtral将与RAL Space合作发射第二代纠缠光子源将在轨演示使用BBM92协议从太空进行量子密钥分发 (QKD)。

国内：

国盾量子：国盾量子技术股份有限公司发源于中国科学技术大学，成立于2009年5月27日，位于合肥市，是世界首条远距离量子保密通信干线“京沪干线”、 “国家广域量子骨干网(一期)”等项目的量子设备提供商，参与“墨子号”量子卫星保密通信地面站的建设。

济南量子技术研究院：成立于2011年5月，是济南高新区管理的正局级事业单位、我国最早成立的量子领域专门研究机构。该研究院也是济南一号卫星的的星地QKD模块研制单位。

中国科学技术大学上海研究院（上海中科大量子工程卓越中心）：墨子号首席科学家潘建伟教授团队所驻院所，从事量子通信、量子计算和量子精密测量等领域的重大基础科学研究和关键核心技术攻关。

量子密钥分发（QKD）技术虽前景广阔，但实际应用仍面临多重瓶颈，主要集中于技术、成本、安全及适配性方面：

1.技术瓶颈

• ‌传输距离限制‌：量子信号在光纤中传输损耗极大，在实际工程条件下，光纤QKD的有效通信距离通常为数百公里以内，需中继站辅助，但中继站本身可能成为安全漏洞。

• ‌效率不足‌：密钥生成速度仅每秒几千至几兆比特，相当于“拨号上网”速度，难以满足高并发需求。

• ‌标准化缺失‌：全球缺乏统一QKD标准，设备兼容性差，影响规模化部署。

2.成本问题

• ‌系统成本高‌：商用QKD系统价格达数百万，专用光纤铺设成本极高，相当于“为每栋楼单独修防弹公路”。

• ‌维护复杂‌：需专用光纤网络，现有基础设施难以直接复用。

3.安全风险

• ‌设备漏洞‌：探测器可能被强光攻击泄露信息，实际设备与理论安全性存在差距。

• ‌侧信道攻击‌：在基于量子不可克隆原理和测量扰动机制的QKD协议中，若测量设备未完全隔离或校准，攻击者可能通过侧信道攻击（如时间戳分析或能量探测）推断密钥内容。

4.应用局限

• ‌场景受限‌：目前仅用于军事、金融等特定领域，难以融入现有网络，移动场景（如手机）几乎不可用。

• ‌协议适配性‌：传统BB84协议信息效率低，有效密钥率受协议结构限制，需要大量光子才能产生稳定密钥，需高维协议提升效率。

• ‌光纤复用干扰‌：量子信号与经典数据共纤传输时，由于拉曼散射和交叉相位调制原因，经典信道噪声会大幅降低QKD性能，需优化滤波技术。

具体到卫星量子通信领域，产业发展同样也面临着来自多个方面的挑战，例如：

技术成熟度与系统稳定性挑战‌。当前系统在高精度光子检测、长距离量子信号传输（如克服大气湍流和信道损耗）以及抗干扰能力方面存在技术瓶颈，影响了密钥生成率和传输距离的稳定性。‌‌

‌成本与经济性瓶颈‌突出。卫星量子密钥分发系统涉及卫星制造、发射及地面站建设，尽管规模化生产有望使成本在2030年降至当前水平的40%左右，但短期内的高成本仍限制了商业应用扩展。‌‌

‌政策与法规差异‌形成跨国市场壁垒。各国对卫星通信监管（如数据安全法规）不一致，增加了合规成本和国际合作的复杂性。‌‌