科研进展 | 南大、中科大等：首次实验演示基于无人机的量子密钥分发

科研进展 | 南大、中科大等：首次实验演示基于无人机的量子密钥分发

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先前的一些工作已经证明，可以使用无人机并借助纠缠分布实现量子态转移。如今，中国的科学家又将其更进一步。

11月13日，南京大学、Xin Lian Technology公司、中国科学技术大学组成的研究团队在《Physical Review Letters》期刊上发表题为“Experimental Demonstration of Drone-Based Quantum Key Distribution”（基于无人机的量子密钥分发实验演示）的研究论文，Xiao-Hui Tian、Ran Yang为论文共同第一作者，Hua-Ying Liu、龚彦晓教授，谢臻达教授为论文共同通讯作者。

在本文中，研究团队首次基于无人机演示了关于量子密钥分发（QKD）的量子任务。紧凑且保持偏振的采集、指向，以及跟踪系统与QKD模块被开发并装载在起飞重量为30千克的自制八旋翼机上。使用偏振编码的诱偏态BB84协议，在200m的距离内以8.48kHz的平均密钥速率执行实时QKD。借助使用无人机分发密钥的能力，无线通信能够在连接到网络的移动节点之间通过该量子方法具备增强的安全性。

背景

量子密钥分发（QKD）可以生成和分发随机密钥，以提高量子方法中通信技术的安全性。到目前为止，QKD已经使用光纤或卫星进行演示。它在经典通信中等效地充当骨干网络，可以覆盖数百或数千公里的关键节点。然而，经典通信能够以无线移动通信的形式到达终端用户，但缺少最新的量子类比。这种移动量子通信的不同之处在于，实际量子任务（如QKD）是用单光子编码的，不能从某个固定的无线基站向各个方向复制和广播。灵活的移动节点（如无人驾驶车辆）能够为单光子信号建立无线移动量子链路，并到达基于移动量子网络构建所需的静止或移动的终端用户。

此前，纠缠分布实验已经使用无人机进行演示。但是这些实验只证明了高保真光子态分布是可能的。然而，迄今为止，像QKD这样的实际量子任务还没有关于使用基于无人机的移动量子链路的报道。尽管已经为这一目标做出了很多努力，但是要想将基于无人机的QKD成为现实，仍然存在诸多挑战。首先，QKD系统需要足够紧凑和稳定，以适应小型无人机，并在连续飞行条件下完美地工作。其次，无人机与地面之间或与无人机之间的量子链路需要高效，使得QKD节点之间的整体链路损耗足够低，以满足成功实现QKD的保真度要求。此外，当无人机运动时，量子态的偏振可以随着光束的指向而不断变化，因此当QKD使用最流行的偏振编码时，偏振控制是必要的。

实验方案

实验的核心是一套紧凑高效的无人机QKD系统。该系统集成了量子信号的产生、编码、传输和同步功能，能够在飞行中与地面站进行实时QKD。具体如下：

• 量子信号源：选用850nm波长的激光二极管（LD）作为量子信号源。这些LD由脉冲驱动，具有500ps的门控时间，重复率为50MHz。信号和诱骗态的产生由随机数生成器（RNG）控制，以50%、25%、25%的概率分别触发信号LD、诱骗LD或不触发。
• 偏振编码：量子信号通过偏振编码来实现。研究团队使用基于微光学光纤组件的激光二极管、衰减器、分束器和偏振分束器，以保持系统的偏振消光比。这些组件被集成在一块印刷电路板（PCB）上，使得整个QKD发射模块尺寸仅为179×179×60mm³，重量仅为1.5kg。
• 时间同步：为了确保量子信号的精确传输，研究团队使用了单独的808nm波长的LD，通过50MHz的门控脉冲列进行内部调制，生成时间同步信号。

地面站负责接收无人机发送的量子信号，并进行解码、检测和时间同步：

• 接收模块：地面站的QKD接收模块（QKD-RM）与无人机上的QKD发射模块（QKD-TM）相对应，负责解码和检测量子信号。该模块同样集成了所有必要的光学和电子组件，以实现高效的信号接收和处理。
• 自动采集和跟踪系统（APT）：APT系统是实验中的关键技术之一，它包括一个三轴电机化云台用于粗略跟踪和一个光学组件用于光束准直和精细跟踪。研究团队开发了一种独特的初始采集方案，使得无人机能够在飞行中自动进行粗略指向，实现了量子光学链路的建立。

实验的实施步骤如下：

• 系统校准：在实验开始前，对无人机上的QKD系统和地面站的接收系统进行精确校准，确保量子信号的准确传输和接收。
• 无人机起飞：无人机携带QKD系统起飞，并在约10米的高度悬停。无人机与地面站相距200米，这是根据实验场地的飞行规定确定的。
• 量子信号传输：无人机上的QKD系统开始发送量子信号，这些信号通过偏振编码并由APT系统传输至地面站。
• 信号接收与处理：地面站的接收模块接收到量子信号后，进行解码和检测，并根据时间同步信号进行时间同步。
• 密钥生成：通过量子信号的传输和接收，以及后续的数据处理，生成安全的密钥。
• 实验数据分析：实验结束后，对收集到的数据进行分析，包括量子比特错误率（QBER）和密钥速率等关键参数，以评估QKD系统的性能。

实验在不同的天气条件下进行，包括夜间和白天，以测试系统的适应性和可靠性。研究团队特别注意到无人机在飞行中的稳定性和量子链路的保持，以及在不同光照条件下的性能表现。

图1：基于无人机的QKD示意图。

图2：基于无人机的QKD过程细节。

图3：基于无人机的QKD系统的平面图和示意图。

图4：基于无人机的QKD的实验结果。

主要研究人员

• 龚彦晓，南京大学物理学院教授。研究方向包括量子光学和量子信息领域的理论和实验研究。研究基于微结构物理的集成光量子技术，包括光子态的产生、操控及其在量子物理学基础、量子通信、量子计算和量子测量等方面的应用。
• 谢臻达，电子科学与工程学院教授、博导。主要研究内容包括微腔光学频率梳、铌酸锂光子芯片、中红外微腔激光器、无人机光量子网络等。

本文原文来自澎湃新闻