南京大學(xué)打造出世界首套無人機(jī)量子通信網(wǎng)絡(luò)，使用無人機(jī)作為量子傳輸?shù)闹欣^站

近日，南京大學(xué)打造出世界首套無人機(jī)量子通信網(wǎng)絡(luò)，使用無人機(jī)作為量子傳輸?shù)闹欣^站，有望大大降低量子通信網(wǎng)絡(luò)的部署成本。未來，新系統(tǒng)有望擴(kuò)展至消費級無人機(jī)，這一研究可能給量子通信和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)帶來革命性改變。

南京大學(xué)的一項研究顯示，中國正在開發(fā)“量子無人機(jī)”，可能會產(chǎn)生幾乎不可攻破的機(jī)載量子通信網(wǎng)絡(luò)。

量子力學(xué)中存在一種名為“量子糾纏”的奇怪現(xiàn)象?；旧现v，無論兩個粒子物理距離的大小如何，兩個或更多粒子（比如光子被連接或“糾纏”）在理論上都可以相互影響。研究糾纏現(xiàn)象對于構(gòu)建量子計算機(jī)和連接這些計算機(jī)之間的量子網(wǎng)絡(luò)，以及復(fù)雜度最高的量子密碼學(xué)而言，都有至關(guān)重要的意義。

開發(fā)地基量子通信網(wǎng)絡(luò)的一個關(guān)鍵問題是如何處理脆弱的糾纏現(xiàn)象：通過現(xiàn)有光纖網(wǎng)絡(luò)發(fā)送量子，在傳輸距離和數(shù)據(jù)速率上都存在諸多限制?？紤]到這一點，近年來科學(xué)家越來越多地研究露天傳播的的量子網(wǎng)絡(luò)。

目前，中國和歐洲的科學(xué)家們正在開發(fā)基于衛(wèi)星傳輸?shù)牧孔泳W(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了長距離的由衛(wèi)星到地面的傳播鏈路。不過，量子衛(wèi)星有許多缺點。低軌道衛(wèi)星只能在有限的時間窗內(nèi)與某些地面上的站點通信。衛(wèi)星發(fā)射成本高昂，讓構(gòu)建量子衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的成本始終居高不下。

南京大學(xué)的科學(xué)家們試圖從另一個方向解決這個問題，他們利用了當(dāng)前無人機(jī)技術(shù)的突破性成果，設(shè)計了一種“量子無人機(jī)”，作為量子網(wǎng)絡(luò)中的空中節(jié)點。相關(guān)論文的預(yù)印本于上個月發(fā)表在ArXiV上，文中詳細(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 Vasylyev表示，目前第一架“量子無人機(jī)”已經(jīng)成功建造，并將其作為與量子衛(wèi)星作用類似的節(jié)點，Vasylyev沒有參與這項研究。

中國研究人員研制出一種八轉(zhuǎn)子八軸無人機(jī)飛行器，起飛重量為35千克，其中包括機(jī)載量子通信系統(tǒng)。研究人員通過實驗證明，他們打造的量子無人機(jī)可以在半空中懸停長達(dá)40分鐘，同時進(jìn)行傳輸操作。無人機(jī)能夠維持兩個空對地傳輸線路，每個線路大約100米，無論是晴朗的白天，還是在晴朗的夜晚，甚至在下雨的夜晚，都能夠接收和傳輸糾纏態(tài)的量子。

科學(xué)家們認(rèn)為，這套量子通信系統(tǒng)還能進(jìn)一步縮小，未來可將小型消費級無人機(jī)用于按需傳輸?shù)木钟蛄孔泳W(wǎng)絡(luò)，可以將其擴(kuò)展到裝載到高空無人機(jī)上，這些無人機(jī)將成為跨越數(shù)百公里的廣域網(wǎng)中的節(jié)點?？偠灾?，本次南京大學(xué)的研究成果網(wǎng)絡(luò)填補(bǔ)了衛(wèi)星和地面量子網(wǎng)絡(luò)之間的關(guān)鍵空白。

Vasylyev指出，部署量子無人機(jī)的通信網(wǎng)絡(luò)會受到許多挑戰(zhàn)的阻礙。他表示，盡管該系統(tǒng)考慮到許多糾纏光子預(yù)計會在進(jìn)出無人機(jī)的途中發(fā)生散落、吸收或以其他形式丟失，但飛行器上的量子通信系統(tǒng)可能會誤認(rèn)為，這是來自太陽的影響。他說，這些錯誤可能會使用戶過度的自信，從而危及系統(tǒng)的安全性。

此外，“無人機(jī)在低層大氣中飛行，大氣湍流是信號衰退的重要原因，”Vasylyev指出。此外，“無人機(jī)飛行本身就是湍流的重要來源?！边@種湍流可能會大大降低量子通信的性能?！?/p>

Vasylyev表示，盡管該研究并非盡善盡美，但利用無人機(jī)進(jìn)行量子傳輸這條道路仍然具有明顯的優(yōu)勢。研究人員指出，該方案可作為“光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牡统杀咎娲桨浮笔褂?，還可以作為測試平臺，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。最終，可能催生出更優(yōu)秀的基于衛(wèi)星的量子通信方案。