量子通信无人机每秒可产生240万对纠缠的光粒子

  的无人机能够产生成对的“纠缠”的光粒子,这些粒子能够以0或1的量子态携带比如电荷或极化的信息。根据量子物理定律,干扰纠缠在一起的一对粒子中的一个会影响另一个,而它们之间的距离并不重要。这意味着这些粒子携带的信息,如果被拦截就会发生信息改变并且通知接收者或发送者。

  量子通信设备,或称量子节点,通常是在实验室里建立起来的,设备庞大而复杂,包括激光泵、分束晶体、反射镜和超灵敏探测器。但是朱士宁院士以及他在南京大学固体结构物理国家重点实验室的同事们,已经成功地显著缩小了量子节点的尺寸,并把它装进了一架重达35公斤的无人机里。该设计中其中三分之一的重量的来自电池。

  目前南大研究团队已经制造和部署了10架无人机。随着未来的升级,这些无人机将能够连接到量子卫星或地面量子通信网络,并提供安全数据传输的终极解决方案。研究人员介绍说,每架无人机每秒可以产生240万对相互纠缠的光粒子。

  现有的军用无人机通信加密采用数学方法保护。谷歌去年宣布了一个量子计算机原型,它可以在200秒内完成一个计算任务,如果采用传统经典的最快超级计算机则需要大约1万年的时间。但是谷歌的量子计算原型机目前还不能用于解码信息,但人们相信,这项技术最终会产生一个密码破译者,可以在数秒内计算出由基于数字的算法保护的密码。因此无人机可能会被劫持,转而攻击它们的基地,而已知的保护它们的最好的方法就是使用量子通信。

  但是量子通信涉及许多挑战。例如粒子发射装置必须与接收端位于一条直线上,粒子发射的原理是使用一个晶体将一束激光分成两束,使粒子纠缠在一起。与卫星和地面站相比,无人机是不稳定的平台,容易受到不可预测情况的影响。研究人员在实验中发现,一阵风就能让他们设计制造的无人机摇摆一臂之遥。

  为了让机载无人机的纠缠粒子发射器和地面上的接收器相互指向对方,朱士宁院士和同事们使用成对的信标光束来协调它们的位置。他们将误差范围缩小到约1.3微米,这个误差极其微小,比人类头发宽度的50分之一还小。

  配置在无人机腹部的一个中等大小的摄像头也可以作为接收器,从地面站或其他无人机上收集纠缠的光粒子,并将信息传递给网络中的其他方。在实验过程中,有效通信的范围被限制在200米左右,但研究团队表示,他们可以使用更大的无人机摄像头将范围扩大到2公里。他们的研究论文称,作为世界上最广泛使用的两种高空军用无人机,中国的“彩虹四号”和美国的“捕食者”系列所使用的军用级摄像机监测范围可达200公里。

  实验中的另一个挑战来自无人机的8对旋转叶片,它们产生的振动可能会影响量子设备的精度。研究人员使用特殊设计的橡胶吸收器来消除振动影响。在该技术应用于战场或其他现实生活之前,还需要进一步的改进。一个问题是光子接收效率低。尽管无人机可以产生大量的纠缠光子,但在另一端每秒只能接收到10个粒子,这限制了可携带的信息量。

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