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國際首例基于無人機移動平臺的量子密鑰分發(fā)

發(fā)布時間：2024/11/21 9:53:22編輯：Ma Liang
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近日，南京大學(xué)謝臻達、龔彥曉、祝世寧團隊與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦、韓正甫團隊的銀振強教授、王雙教授、陳巍教授合作，在國際上率先完成基于無人機平臺的量子密鑰分發(fā)實驗，證明了利用無人機等移動平臺能夠完成實用化的光量子信息任務(wù)。在該項研究中，團隊自主研發(fā)了集成化量子密鑰分發(fā)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平臺，完成了空地之間的量子密鑰分發(fā)，安全密鑰生成速率達到8 kbps。

　　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)階段人們能夠?qū)崿F(xiàn)的是通過量子密鑰分發(fā)(Quantum key distribution，QKD)，利用量子方法實現(xiàn)信息加密傳輸。此前，量子密鑰分發(fā)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)嵱谩５橇孔用荑€分發(fā)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)團隊曾在國際上率先提出利用無人機等移動平臺構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)想，并先后完成了基于無人機的糾纏光子分發(fā)(Natl. Sci. Rev. 2020, 7, 921)與光學(xué)中繼糾纏分發(fā)(Phys. Rev. Lett. 2021, 126, 020503)的實驗驗證，這些工作證明通過無人機進行量子態(tài)傳輸是可行的，但是基于無人機移動平臺的量子密鑰分發(fā)尚待實驗驗證。

　　想要基于無人機移動平臺實現(xiàn)量子密鑰分發(fā)，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)。研究者們通過若干核心技術(shù)的原創(chuàng)設(shè)計與研發(fā)成功解決了所有挑戰(zhàn)，實現(xiàn)了首例無人機與地面站之間的量子密鑰分發(fā)，實驗的流程見圖1。

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圖1 基于無人機的量子密鑰分發(fā)示意圖

　　研發(fā)的核心技術(shù)與系統(tǒng)包括：

　　(1)集成化量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)

　　該系統(tǒng)主要由一對可機載QKD發(fā)射模塊與便攜式QKD接收模塊組成。不同于常規(guī)的桌面級系統(tǒng)，該系統(tǒng)中的重要光學(xué)元件均采用微光學(xué)技術(shù)研發(fā)，并與相關(guān)控制電學(xué)元件封裝在同一個PCB板之上。封裝后的發(fā)射模塊體積僅179×179×60 mm3，重量1.5 kg。

　　(2)全自動自由空間跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)

　　該系統(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，系統(tǒng)重量僅5 kg。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量子密鑰分發(fā)的應(yīng)用需求，研究者們通過在無人機端引入額外的保偏光纖路徑，利用混合編碼的方案發(fā)展了全套無需實時校準(zhǔn)的動中通偏振控制與保持技術(shù)。完整光路設(shè)計見圖2。

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圖2 基于無人機的量子密鑰分發(fā)光路圖

　　利用上述核心系統(tǒng)與技術(shù)，研究人員最終在相距200米的無人機與地面站之間建立了一條低損耗、高保真的光量子鏈路(鏈路損耗約9 dB)，并在夜晚和照度低于3000 lx的白天成功實現(xiàn)了量子密鑰分發(fā)實驗演示，見圖3。夜晚實驗采集時間400秒，平均安全密鑰生成率 >8 kbps，平均誤碼率約2.28%。白天實驗采集時間200秒，平均安全密鑰生成率 >6 kbps，平均誤碼率約3.86%，見圖4。實驗結(jié)果證實了利用無人機平臺實現(xiàn)實用化光量子信息任務(wù)的可行性與可靠性。

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圖3 實驗中的無人機照片

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圖4 夜晚與白天的量子密鑰分發(fā)結(jié)果

　　在本項工作中，研究者們自主研發(fā)了多項核心技術(shù)，實現(xiàn)了首例無人機和地面站之間的量子密鑰分發(fā)實驗演示。利用研發(fā)的收發(fā)一體APT技術(shù)，可以輕松的實現(xiàn)節(jié)點間分發(fā)距離、移動節(jié)點數(shù)量等重要指標(biāo)的提升，用于實現(xiàn)具有復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的局域量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)。未來，通過進一步的技術(shù)發(fā)展，有望基于固定翼高空無人機實現(xiàn)廣域量子密鑰分發(fā)，實現(xiàn)全時全方位覆蓋的移動量子互聯(lián)。相關(guān)研究成果以“Experimental demonstration of drone-based quantum key distribution” 為題發(fā)表于《Physical Review Letters》雜志上。

　　南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院博士后田曉慧和物理學(xué)院博士生楊然為該論文的共同第一作者，南京大學(xué)物理學(xué)院劉華穎研究員、龔彥曉教授和電子科學(xué)與工程學(xué)院謝臻達教授為論文的共同通信作者，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)銀振強教授、王雙教授、陳巍教授和南智芯鏈科技(湖州)有限公司參與了該工作，南京大學(xué)祝世寧教授在該工作開展的全過程給與了重要指導(dǎo)。這項研究得到了國家自然科學(xué)基金項目、國家重點研發(fā)計劃、江蘇省前沿引領(lǐng)技術(shù)基礎(chǔ)研究專項、南京大學(xué)卓越計劃、江蘇省卓越博士后計劃等項目的支持。
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