世界首架用于不可穿透的空對地數(shù)據(jù)鏈的“量子無人機(jī)”起飛

中國研究人員正在研制一種以無人機(jī)為節(jié)點(diǎn)的機(jī)載量子通信網(wǎng)絡(luò)。

一項新的研究發(fā)現(xiàn)，中國正在開發(fā)的量子無人機(jī)可能會導(dǎo)致近乎不可阻擋的機(jī)載量子通信網(wǎng)絡(luò)。

量子力學(xué)使一種稱為糾纏的奇怪現(xiàn)象成為可能。理論上，兩個或兩個以上的粒子，如光子，無論它們之間的距離如何，都會相互影響。糾纏對于量子計算機(jī)的工作、連接它們的網(wǎng)絡(luò)以及最復(fù)雜的量子密碼術(shù)（一種不受黑客攻擊的信息交換手段）至關(guān)重要。

發(fā)展地基量子網(wǎng)絡(luò)的一個關(guān)鍵問題是糾纏有多脆弱；在現(xiàn)有光纖網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送光子時，這限制了傳輸距離和數(shù)據(jù)速率。有鑒于此，近年來，科學(xué)家們已經(jīng)越來越多地研究了量子網(wǎng)絡(luò)，其中包括在露天傳輸?shù)墓庾印?/p>

中國和歐洲的科學(xué)家目前正在開發(fā)基于衛(wèi)星的量子網(wǎng)絡(luò)，使遠(yuǎn)程衛(wèi)星到地面的連接成為可能。然而，量子衛(wèi)星有許多缺點(diǎn)。其中：低軌道衛(wèi)星只能在有限的時間窗內(nèi)與特定的地面位置通信；而空間發(fā)射的成本使得建立一個量子衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)昂貴。

而最近，南京大學(xué)的無人機(jī)技術(shù)得到了突破性發(fā)展，為了彌補(bǔ)量子衛(wèi)星通訊的不足，南京大學(xué)的研究人員嘗試用無人機(jī)作為衛(wèi)星和地面量子網(wǎng)絡(luò)之間的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。研究人員于5月23日在ArXiV online preprint server上詳細(xì)介紹了他們的發(fā)現(xiàn)。

德國羅斯托克大學(xué)的量子科學(xué)家Dmytro Vasylyyev沒有參與這項研究，他說：“他們已經(jīng)制造了第一個量子無人機(jī)，并以與使用量子衛(wèi)星類似的方式將其用作節(jié)點(diǎn)?！?/p>

中國研究人員研制出一種八軸旋翼飛行器，飛機(jī)共有35千克，這里包括機(jī)載的量子通信系統(tǒng)。在實(shí)驗中，研究人員證明，他們的量子無人機(jī)可以在半空中盤旋40分鐘。它能夠維持兩個空對地鏈路，每個鏈路大約100米長，并且可以在白天、晴朗的夜晚，甚至在雨夜接收和發(fā)送糾纏光子。

科學(xué)家們相信，他們可以縮小量子通信系統(tǒng)的規(guī)模，以適應(yīng)小型無人機(jī)的需求，用于本地量子網(wǎng)絡(luò)。他們還可以擴(kuò)大規(guī)模，將其裝載到高空無人機(jī)上，這些無人機(jī)將是跨越數(shù)百公里的廣域網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)?？傊麄冊O(shè)想量子無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)填補(bǔ)了衛(wèi)星和地面量子網(wǎng)絡(luò)之間的一個關(guān)鍵利基。

Vasylyev指出，部署一個以量子無人機(jī)為特色的通信網(wǎng)絡(luò)可能會受到許多挑戰(zhàn)的阻礙。例如，他建議，盡管系統(tǒng)考慮到許多糾纏光子在往返無人機(jī)的途中會被散射、吸收或以其他方式丟失，但飛行機(jī)器人上的量子通信系統(tǒng)可能會將來自太陽的雜散光子誤認(rèn)為是其中一些丟失的糾纏光子。他說，這樣的錯誤可能會讓用戶對系統(tǒng)的運(yùn)行狀況過于自信，從而危及系統(tǒng)的安全。

此外，“無人機(jī)在低層大氣中飛行，大氣湍流是信號退化的重要來源，”指出。“無人機(jī)的飛行本身就是一個很大的湍流源?！边@種湍流“會大大降低量子通信的性能?！?/p>

盡管有缺點(diǎn)，Vasylyev說，量子無人機(jī)仍然具有明顯的優(yōu)勢。他指出，它們可以作為“光纖網(wǎng)絡(luò)的低成本移動替代品”，還可以作為試驗臺，幫助研究人員研究天氣條件和其他大氣影響對量子通信的影響。他說，這最終將產(chǎn)生更好的衛(wèi)星量子通信。