无人机搭载BB84协议实现量子密钥分发：移动量子网络新突破

无人机搭载BB84协议实现量子密钥分发：移动量子网络新突破

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CSDN

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来源

1.

https://blog.csdn.net/weixin_41366507/article/details/136884585

2.

https://new.qq.com/rain/a/20241114A07X8L00

3.

https://blog.csdn.net/weixin_41366507/article/details/138107822

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https://blog.csdn.net/weixin_41366507/article/details/137416420

5.

https://blog.csdn.net/weixin_41366507/article/details/137397630

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https://cloud.baidu.com/article/3423617

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https://zh.wikipedia.org/wiki/BB84%E5%8D%94%E5%AE%9A

8.

http://www.sz-victor17.cn/sz-victor17_Article_11827582.html

2024年11月，南京大学、中国科学技术大学等机构联合在《Physical Review Letters》发表重要研究成果，首次基于无人机实现了量子密钥分发（QKD），这是量子通信领域的重要突破。这一进展不仅展示了BB84协议在移动量子网络中的实际应用，也为未来构建广域量子通信网络奠定了重要基础。

BB84协议由Charles Bennett和Gilles Brassard于1984年提出，是世界上首个量子密码学协议。它基于量子力学的基本原理，能够实现理论上无条件安全的密钥分发。BB84协议的安全性主要依赖于三个量子力学原理：

1. 不确定性原理：无法同时精确测量一个量子系统的所有属性，任何窃听行为都会改变量子态，从而被合法用户察觉。

2. 测量塌缩原理：量子态在被测量时会立即塌缩到一个确定的值，这防止了窃听者通过测量获取信息的可能性。

3. 不可克隆原理：未知的量子态无法被精确复制，这意味着即使窃听者截获了量子信息，也无法复制出完全相同的量子态。

在最新的研究中，研究团队开发了一套紧凑且保持偏振的采集、指向和跟踪系统，以及QKD模块，并将其装载在起飞重量为30千克的自制八旋翼无人机上。实验中使用偏振编码的诱偏态BB84协议，在200米的距离内实现了8.48kHz的平均密钥速率。

这一突破的关键在于解决了多个技术难题：

• 系统紧凑性：整个QKD发射模块尺寸仅为179×179×60mm³，重量1.5kg。
• 高效量子链路：开发了独特的初始采集方案，实现了无人机在飞行中的自动粗略指向。
• 偏振控制：解决了无人机运动时量子态偏振变化的问题。

在实际应用中，BB84协议需要经过一系列复杂的后处理过程，才能生成最终的安全密钥。以偏振态BB84协议为例，整个过程包括：

1. 量子态制备与传输：Alice将真随机数调制到四个量子态之一，通过量子信道发送给Bob。
2. 测量与筛选：Bob随机选择测量基进行测量，双方通过经典信道对比调制基和测量基，保留一致的部分。
3. 误码纠正：通过公开的奇偶性检查，纠正传输过程中的错误。
4. 隐私放大：从协商密钥中提取完全保密的最终密钥。

与连续变量量子密钥分发（CV-QKD）相比，BB84协议属于离散变量量子密钥分发（DV-QKD）。两者各有优劣：

• BB84协议：基于单光子技术，安全性高，适合长距离通信，但密钥生成速率相对较低（1kbps@15dB）。
• CV-QKD：使用相干态激光，密钥率高（可达1Mbps@10dB），与现有光纤网络兼容性好，但对环境干扰更敏感。

随着技术的不断进步，BB84协议有望在更多场景中得到应用，特别是在需要高安全性的领域，如金融交易、政务通信和军事指挥等。同时，通过与CV-QKD等其他技术的融合，可以构建更加灵活、高效的量子通信网络，为未来的信息化社会提供坚实的安全保障。

这一系列突破表明，量子通信正在从实验室走向实际应用，BB84协议作为其核心，将继续在保障信息安全方面发挥重要作用。