南京大學(xué)研發(fā)量子通信技術(shù)無人機(jī)，每秒產(chǎn)生240萬對(duì)糾纏的光粒子

（文章來源：茶馬星球視野）
中國科學(xué)家團(tuán)隊(duì)表示，他們已經(jīng)研發(fā)出世界上第一支配備量子通信技術(shù)的無人機(jī)艦隊(duì)，因此無人機(jī)之間以及無人機(jī)和人類之間就可以共享信息。

中國南京大學(xué)的研究人員本月發(fā)表在《國家科學(xué)評(píng)論》雜志上的研究稱，他們制造的無人機(jī)能夠產(chǎn)生成對(duì)的“糾纏”的光粒子，這些粒子能夠以0或1的量子態(tài)攜帶比如電荷或極化的信息。根據(jù)量子物理定律，干擾糾纏在一起的一對(duì)粒子中的一個(gè)會(huì)影響另一個(gè)，而它們之間的距離并不重要。這意味著這些粒子攜帶的信息，如果被攔截就會(huì)發(fā)生信息改變并且通知接收者或發(fā)送者。

量子通信設(shè)備，或稱量子節(jié)點(diǎn)，通常是在實(shí)驗(yàn)室里建立起來的，設(shè)備龐大而復(fù)雜，包括激光泵、分束晶體、反射鏡和超靈敏探測(cè)器。但是朱士寧院士以及他在南京大學(xué)固體結(jié)構(gòu)物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的同事們，已經(jīng)成功地顯著縮小了量子節(jié)點(diǎn)的尺寸，并把它裝進(jìn)了一架重達(dá)35公斤的無人機(jī)里。該設(shè)計(jì)中其中三分之一的重量的來自電池。

目前南大研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)制造和部署了10架無人機(jī)。隨著未來的升級(jí)，這些無人機(jī)將能夠連接到量子衛(wèi)星或地面量子通信網(wǎng)絡(luò)，并提供安全數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕K極解決方案。研究人員介紹說，每架無人機(jī)每秒可以產(chǎn)生240萬對(duì)相互糾纏的光粒子。

現(xiàn)有的軍用無人機(jī)通信加密采用數(shù)學(xué)方法保護(hù)。谷歌去年宣布了一個(gè)量子計(jì)算機(jī)原型，它可以在200秒內(nèi)完成一個(gè)計(jì)算任務(wù)，如果采用傳統(tǒng)經(jīng)典的最快超級(jí)計(jì)算機(jī)則需要大約1萬年的時(shí)間。但是谷歌的量子計(jì)算原型機(jī)目前還不能用于解碼信息，但人們相信，這項(xiàng)技術(shù)最終會(huì)產(chǎn)生一個(gè)密碼破譯者，可以在數(shù)秒內(nèi)計(jì)算出由基于數(shù)字的算法保護(hù)的密碼。因此無人機(jī)可能會(huì)被劫持，轉(zhuǎn)而攻擊它們的基地，而已知的保護(hù)它們的最好的方法就是使用量子通信。

但是量子通信涉及許多挑戰(zhàn)。例如粒子發(fā)射裝置必須與接收端位于一條直線上，粒子發(fā)射的原理是使用一個(gè)晶體將一束激光分成兩束，使粒子糾纏在一起。與衛(wèi)星和地面站相比，無人機(jī)是不穩(wěn)定的平臺(tái)，容易受到不可預(yù)測(cè)情況的影響。研究人員在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，一陣風(fēng)就能讓他們設(shè)計(jì)制造的無人機(jī)搖擺一臂之遙。為了讓機(jī)載無人機(jī)的糾纏粒子發(fā)射器和地面上的接收器相互指向?qū)Ψ剑焓繉幵菏亢屯聜兪褂贸蓪?duì)的信標(biāo)光束來協(xié)調(diào)它們的位置。他們將誤差范圍縮小到約1.3微米，這個(gè)誤差極其微小，比人類頭發(fā)寬度的50分之一還小。

配置在無人機(jī)腹部的一個(gè)中等大小的攝像頭也可以作為接收器，從地面站或其他無人機(jī)上收集糾纏的光粒子，并將信息傳遞給網(wǎng)絡(luò)中的其他方。在實(shí)驗(yàn)過程中，有效通信的范圍被限制在200米左右，但研究團(tuán)隊(duì)表示，他們可以使用更大的無人機(jī)攝像頭將范圍擴(kuò)大到2公里。他們的研究論文稱，作為世界上最廣泛使用的兩種高空軍用無人機(jī)，中國的“彩虹四號(hào)”和美國的“捕食者”系列所使用的軍用級(jí)攝像機(jī)監(jiān)測(cè)范圍可達(dá)200公里。

實(shí)驗(yàn)中的另一個(gè)挑戰(zhàn)來自無人機(jī)的8對(duì)旋轉(zhuǎn)葉片，它們產(chǎn)生的振動(dòng)可能會(huì)影響量子設(shè)備的精度。研究人員使用特殊設(shè)計(jì)的橡膠吸收器來消除振動(dòng)影響。在該技術(shù)應(yīng)用于戰(zhàn)場(chǎng)或其他現(xiàn)實(shí)生活之前，還需要進(jìn)一步的改進(jìn)。一個(gè)問題是光子接收效率低。盡管無人機(jī)可以產(chǎn)生大量的糾纏光子，但在另一端每秒只能接收到10個(gè)粒子，這限制了可攜帶的信息量。

中國目前是全球量子通信技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者，2016年將世界上首顆也是唯一一顆量子衛(wèi)星送入軌道。北京和上海之間的陸基量子通信網(wǎng)絡(luò)是地球上最長(zhǎng)、最復(fù)雜的通信網(wǎng)絡(luò)。而就在上月底，我國研究人員成功研制移動(dòng)量子衛(wèi)星地面站，和墨子衛(wèi)星成功握手對(duì)接，它的體積非常小，甚至可以安裝在汽車頂部。中國的量子通信正走在世界前列！
（責(zé)任編輯：fqj）