世界第一台“量子无人机”诞生！南大新研究开辟量子通信新路

世界第一台“量子无人机”诞生！南大新研究开辟量子通信新路

【新智元导读】近日，南京大学打造出世界首套无人机量子通信网络，使用无人机作为量子传输的中继站，有望大大降低量子通信网络的部署成本。未来，新系统有望扩展至消费级无人机，这一研究可能给量子通信和网络建设带来革命性改变。

南京大学的一项研究显示，中国正在开发“量子无人机”，可能会产生几乎不可攻破的机载量子通信网络。

量子力学中存在一种名为“量子纠缠”的奇怪现象。基本上讲，无论两个粒子物理距离的大小如何，两个或更多粒子（比如光子被连接或“纠缠”）在理论上都可以相互影响。研究纠缠现象对于构建量子计算机和连接这些计算机之间的量子网络，以及复杂度最高的量子密码学而言，都有至关重要的意义。

开发地基量子通信网络的一个关键问题是如何处理脆弱的纠缠现象：通过现有光纤网络发送量子，在传输距离和数据速率上都存在诸多限制。考虑到这一点，近年来科学家越来越多地研究露天传播的的量子网络。

目前，中国和欧洲的科学家们正在开发基于卫星传输的量子网络，实现了长距离的由卫星到地面的传播链路。不过，量子卫星有许多缺点。低轨道卫星只能在有限的时间窗内与某些地面上的站点通信。卫星发射成本高昂，让构建量子卫星网络的成本始终居高不下。

南京大学的科学家们试图从另一个方向解决这个问题，他们利用了当前无人机技术的突破性成果，设计了一种“量子无人机”，作为量子网络中的空中节点。相关论文的预印本于上个月发表在ArXiV上，文中详细介绍了他们的发现。

德国罗斯托克大学的量子科学家Dmytro Vasylyev表示，目前第一架“量子无人机”已经成功建造，并将其作为与量子卫星作用类似的节点，Vasylyev没有参与这项研究。

中国研究人员研制出一种八转子八轴无人机飞行器，起飞重量为35千克，其中包括机载量子通信系统。研究人员通过实验证明，他们打造的量子无人机可以在半空中悬停长达40分钟，同时进行传输操作。无人机能够维持两个空对地传输线路，每个线路大约100米，无论是晴朗的白天，还是在晴朗的夜晚，甚至在下雨的夜晚，都能够接收和传输纠缠态的量子。

科学家们认为，这套量子通信系统还能进一步缩小，未来可将小型消费级无人机用于按需传输的局域量子网络，可以将其扩展到装载到高空无人机上，这些无人机将成为跨越数百公里的广域网中的节点。总而言之，本次南京大学的研究成果网络填补了卫星和地面量子网络之间的关键空白。

Vasylyev指出，部署量子无人机的通信网络会受到许多挑战的阻碍。他表示，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发生散落、吸收或以其他形式丢失，但飞行器上的量子通信系统可能会误认为，这是来自太阳的影响。他说，这些错误可能会使用户过度的自信，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原因，”Vasylyev指出。此外，“无人机飞行本身就是湍流的重要来源。”这种湍流可能会大大降低量子通信的性能。”

Vasylyev表示，尽管该研究并非尽善尽美，但利用无人机进行量子传输这条道路仍然具有明显的优势。研究人员指出，该方案可作为“光纤网络传输的低成本替代方案”使用，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。最终，可能催生出更优秀的基于卫星的量子通信方案。

参考链接：

IEEE:

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

论文链接：

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