全球首架“量子无人机”从南京大学起飞

大数据文摘出品

来源：IEEE

编译：宋欣仪、蒋宝尚

量子纠缠是目前为止可知的最安全通讯方式。

量子纠缠时，如果一个纠缠状态中的粒子被观测那么一定会导致这种纠缠态的坍塌，量子通信的安全就是使用了量子纠缠的这个特性实现的。

注：量子通讯（Quantum Communication）是指利用量子效应加密并进行信息传输的一种通讯方式。量子通讯主要涉及：量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等，这门学科已逐步从理论走向实验，并向实用化发展。高效安全的信息传输日益受到人们的关注。基于量子力学的基本原理，量子通讯具有高效率和绝对安全等特点，并因此成为国际上量子物理和信息科学的研究热点。量子通讯是经典信息论和量子力学相结合的一门新兴交叉学科,与成熟的通信技术相比，量子通讯具有巨大的优越性，具有保密性强、大容量、远距离传输等特点。

量子纠缠通信在传输通道上也是绝对的安全，因为量子通信使用的是“量子通道”来进行信息传递的，每一对纠缠状态的粒子的“量子通道”是不一样的，所以根本不存在半道上信息被拦截或者被泄露的这样的风险。这就是量子通信的安全原理。

量子通讯简单的理解就是把一个物体微粒化，然后在另一处整合复原。而通过量子通讯卫星传输信息，能够彻底杜绝间谍窃听及破解的保密通信技术，抗衡外国的网络攻击，提升防御能力。

中国和欧洲的科学家目前正在开发基于卫星的量子网络，但是虽然量子卫星克服了远距离光子损耗问题，但是实时全方位覆盖和多节点建设的挑战仍然存在。比如低轨道卫星只能在有限的时间窗内与某些地面通信，另外太空发射的成本使得建立量子卫星网络相当昂贵。

无人机技术在南京大学的新突破

而最近，南京大学的无人机技术得到了突破性发展，为了弥补量子卫星通讯的不足，南京大学的研究人员尝试用无人机作为卫星和地面量子网络之间的关键节点。

研究团队一共16人，几乎都来自南京大学，涉及的机构包括固态微结构国家实验室、电子科学与工程学院、物理学院、工程管理学院等。

论文地址：

https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1905/1905.09527.pdf

具体来说，他们测试了一种无人机，该无人机能够保持两个空对地链路，每个大约100米长，甚至能下雨的夜晚接收和传输纠缠的光子。

如果成功，这种量子无人机将作为量子通信网络的载体，搭建无法攻破的通信传输体系。

具体来说研究人员开发了一种八轴旋翼飞行器，飞机共有35千克，这里包括机载的量子通信系统。

经过实验发现，量子无人机一次可以在空中盘旋40分钟。并且能够维持两个空对地链路，每个大约100米长，还可以在白天、晴朗的夜晚，甚至在雨夜接收和传输纠缠的光子。

通过将这种便携式量子节点与现有卫星和地基节点连接起来，可以预期产生完全和广泛覆盖的量子网络。

通常情况下，光束衍射是自由空间量子网络的一个基本问题，其中衍射损耗占主导地位的是大距离，如卫星到地面的距离。然而，在基于无人机的网络中，可以应用多节点将长链路划分为较短链路。在这种情况下，每个无人驾驶飞机节点可以接收光子并将其重新发送到下一个节点以进行级联传输。

另一种布局方式是可以缩小量子通信系统的规模，从而适应局域量子网络的小型无人机。还可以将其放大，从而装载到高空无人机上，这些无人机会成为跨越数百公里的广域网中的节点。

总而言之，量子无人机网络或许会填补了卫星和地基量子网络之间的短板。

将面临多重挑战

部署无人机现在还面临多重挑战。例如，尽管该系统考虑到许多纠缠光子预计会在进出无人机的途中散落，吸收或以其他方式丢失，但无人机的量子通信系统可能会判断失误。比如说太阳的光线就像其中一些失去纠缠的光子。而这些错误可能会使用户过度自信，从而危及系统的安全性。

此外，无人机在低层大气中飞行，大气湍流是信号衰退的重要来源，但是无人机本身就是湍流的一个重要来源。这种无法避免的湍流可能会大大降低量子通信的性能。

尽管有缺点，来自德国的量子科学家Dmytro Vasylyev说，量子无人机仍然具有明显的优势。它们可以作为“基于光纤的网络的低成本移动替代品”，还可以作为测试平台，帮助研究人员研究天气条件和其他大气影响对量子通信的影响。他说，这最终将为产生更好的基于卫星的量子通信作出巨大贡献。

链接

https://spectrum.ieee.org/tech-talk/computing/networks/quantum-drone

https://arxiv.org/abs/1905.09527