量子衛星的關鍵通訊節點,全球首架「量子無人機」試飛成功!

無人機示意圖,非文中所述量子無人機。

【為什麼我們要挑選這篇文章】量子糾纏可以降低資訊傳輸時,被中途攔截導致資訊洩漏的風險,是目前最安全的通訊方式。然而隨著傳輸距離的提升,量子通訊將散失更多的能量;量子衛星可以解這個問題,卻有全方位覆蓋和多節點建設的難題,提升成本。

中國南京大學對此提出解決方案:利用無人機作為量子衛星與地面基地台的節點,並在今年 6 月試飛成功。雖然還有技術性問題需要突破,但這有望成為未來人類的通訊模式。(責任編輯:郭家宏)

量子糾纏是目前為止可知的最安全通訊方式。

(TO 編按:量子糾纏是指粒子在交互作用後,各個粒子所擁有的特性已綜合成為整體性質,無法單獨描述各個粒子的性質,是量子力學的獨有狀態。)

量子糾纏可降低資訊洩漏風險,提升網攻的防禦能力

量子糾纏時,如果一個糾纏狀態中的粒子被觀測,那麼一定會導致這種糾纏態的坍塌,量子通信的安全就是使用了量子糾纏的這個特性實現的。

(註:量子通訊(Quantum Communication)是指利用量子效應加密併進行訊息傳輸的一種通訊方式。量子通訊主要涉及:量子密碼通信、量子遠程傳態和量子密集編碼等,這門學科已逐步從理論走向實驗,並向實用化發展。高效安全的訊息傳輸日益受到人們的關注。基於量子力學的基本原理,量子通訊具有高效率和絶對安全等特點,並因此成為國際上量子物理和資訊科學的研究熱點。量子通訊是經典訊息理論和量子力學相結合的一門新興交叉學科,與成熟的通信技術相比,量子通訊具有巨大的優越性,具有保密性強、大容量、遠距離傳輸等特點。)

量子糾纏通信在傳輸通道上也是絶對的安全,因為量子通信使用的是「量子通道」來進行訊息傳遞的,每一對糾纏狀態的粒子的「量子通道」是不一樣的,所以根本不存在半路上訊息被攔截或者被洩露的這樣的風險。這就是量子通信的安全原理。

量子通訊簡單的理解就是把一個物體微粒化,然後在另一處整合復原。而透過量子通訊衛星傳輸訊息,能夠徹底杜絶間諜竊聽及破解的保密通信技術,抗衡外國的網路攻擊,提升防禦能力。

中國和歐洲的科學家目前正在開發基於衛星的量子網路,但是雖然量子衛星克服了遠距離光子損耗問題,但是即時全方位覆蓋和多節點建設的挑戰仍然存在。比如低軌道衛星只能在有限的時間窗內與某些地面通信,另外太空發射的成本使得建立量子衛星網路相當昂貴。

南京大學技術突破:無人機作為量子衛星的通訊節點

六月底,南京大學的無人機技術得到了突破性發展,為了彌補量子衛星通訊的不足,南京大學的研究人員嘗試用無人機作為衛星和地面量子網路之間的關鍵節點。

研究團隊一共 16 人,幾乎都來自南京大學,涉及的機構包括固態微結構國家實驗室、電子科學與工程學院、物理學院、工程管理學院等。

論文 傳送門

具體來說,他們測試了一種無人機,該無人機能夠保持兩個空對地鏈路,每個大約 100 公尺長,甚至能在下雨的夜晚接收和傳輸糾纏的光子。

如果成功,這種量子無人機將作為量子通信網路的載體,搭建無法攻破的通信傳輸體系。

具體來說,研究人員開發了一種八軸旋翼飛行器,飛機重達 35 公斤,包含飛機上的量子通信系統。

經過實驗發現,量子無人機一次可以在空中盤旋 40 分鐘。並且能夠維持兩個空對地鏈路,每個大約 100 公尺長,還可以在白天、晴朗的夜晚,甚至在雨夜接收和傳輸糾纏的光子。

無人機作為通訊節點,可減少繞射的能量損耗

透過將這種便攜式量子節點與現有衛星和地基節點連接起來,可以預期產生完全和廣泛覆蓋的量子網路。

一般情況下,光束繞射是自由空間量子網路的一個基本問題,其中繞射損耗占主導地位的是大距離,如衛星到地面的距離。然而,在基於無人機的網路中,可以應用多節點將長鏈路劃分為較短鏈路。在這種情況下,每個無人駕駛飛機節點可以接收光子,並將其重新發送到下一個節點,以進行級聯傳輸。

另一種佈局方式是可以縮小量子通信系統的規模,從而適應區域量子網路的小型無人機。還可以將其放大,從而裝載到高空無人機上,這些無人機會成為跨越數百公里的廣域網中的節點。

總而言之,量子無人機網路可以作為衛星和地球上量子網路之間的節點。

無人機的挑戰:訊號誤判、大氣湍流

部署無人機現在還面臨多重挑戰。例如,儘管該系統考慮到許多糾纏光子預計會在進出無人機的途中散落,吸收或以其他方式丟失,但無人機的量子通信系統可能會判斷失誤,例如將太陽的光線誤判成糾纏的光子,而這些錯誤可能會使用戶過度自信,從而危及系統的安全性。

此外,無人機在低層大氣中飛行,大氣湍流是信號衰退的重要來源,但是無人機本身就是湍流的一個重要來源。這種無法避免的湍流可能會大大降低量子通信的性能。

儘管有缺點,來自德國的量子科學家 Dmytro Vasylyev 說,量子無人機仍然具有明顯的優勢。它們可以作為「基於光纖的網路的低成本移動替代品」,還可以作為測試平台,幫助研究人員研究天氣條件和其他大氣影響對量子通信的影響。他說,這最終將為產生更好的基於衛星的量子通信作出巨大貢獻。

相關資訊傳送門:

World’s First “Quantum Drone” for Impenetrable Air-to-Ground Data Links Takes Off
Drone-based all-weather entanglement distribution

(本文經合作夥伴 大數據文摘 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為 〈全球首架“量子无人机”从南京大学起飞 〉。首圖來源:Pexels CC Licensed)

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