國際首例基于無人機(jī)移動平臺的量子密鑰分發(fā)

[本刊訊] 南京大學(xué)謝臻達(dá)、龔彥曉、祝世寧團(tuán)隊與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦、韓正甫團(tuán)隊的銀振強(qiáng)教授、王雙教授、陳巍教授合作，在國際上率先完成基于無人機(jī)平臺的量子密鑰分發(fā)（quantum key distribution， QKD）實驗，證明了利用無人機(jī)等移動平臺能夠完成實用化的光量子信息任務(wù)。團(tuán)隊自主研發(fā)了集成化QKD系統(tǒng)、全自動小型化高精度跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)和運動狀態(tài)下的偏振控制系統(tǒng)，搭載于自主研發(fā)的小型多旋翼無人機(jī)平臺，完成了空地之間的QKD，安全密鑰生成速率達(dá)到8000比特每秒。相關(guān)成果于2024年11月13日在線發(fā)表于《物理評論快報》（Physical Review Letters）。

量子信息傳輸?shù)淖罱K目標(biāo)是直接用量子態(tài)傳輸信息，現(xiàn)階段能夠做到的是通過QKD利用量子方法實現(xiàn)信息加密傳輸。此前，QKD已經(jīng)通過光纖和衛(wèi)星作為載體獲得實驗驗證，并逐步走向?qū)嵱?。但是QKD的實際應(yīng)用迫切需要將單光子直接傳輸?shù)浇K端用戶的能力，這有賴于移動平臺量子網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)。南京大學(xué)團(tuán)隊曾在國際上率先提出利用無人機(jī)等移動平臺構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)想，并先后完成了基于無人機(jī)的糾纏光子分發(fā)與光學(xué)中繼糾纏分發(fā)的實驗驗證，這些工作證明通過無人機(jī)進(jìn)行量子態(tài)傳輸是可行的，但是基于無人機(jī)移動平臺的QKD尚待實驗驗證。

想要基于無人機(jī)移動平臺實現(xiàn)QKD，系統(tǒng)的重量、體積、穩(wěn)定性等方面面臨多項技術(shù)挑戰(zhàn)。該項工作研發(fā)的核心技術(shù)與系統(tǒng)包括：①集成化QKD系統(tǒng)。②全自動自由空間跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，由一對收發(fā)一體的捕獲、指向和跟蹤（acquisition， pointing， and tracking， APT）系統(tǒng)組成，可以在自由空間實現(xiàn)光學(xué)信號從單模光纖到單模光纖的低損耗傳輸，僅重 5千克。此外，系統(tǒng)還集成了慣性測量模塊和實時動態(tài)定位模塊，能夠在30秒內(nèi)完成目標(biāo)的全自動捕獲與跟瞄。③運動過程中的偏振控制技術(shù)面向移動平臺偏振編碼QKD的應(yīng)用需求，通過在無人機(jī)端引入額外的保偏光纖路徑，利用混合編碼的方案發(fā)展了全套無須實時校準(zhǔn)的動中通偏振控制與保持技術(shù)。

利用上述核心系統(tǒng)與技術(shù)，研究人員最終在相距200米的無人機(jī)與地面站之間建立了一條低損耗、高保真的光量子鏈路，并在夜晚和照度低于3000勒克斯的白天成功實現(xiàn)了QKD實驗演示。實驗結(jié)果證實了利用無人機(jī)平臺實現(xiàn)實用化光量子信息任務(wù)的可行性與可靠性。未來，通過進(jìn)一步的技術(shù)發(fā)展，有望基于固定翼高空無人機(jī)實現(xiàn)廣域QKD，構(gòu)建全時全方位覆蓋的移動量子互聯(lián)。

（勇 蘭）