【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，南京大學(xué)謝臻達(dá)、龔彥曉、祝世寧團(tuán)隊(duì)與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦、韓正甫團(tuán)隊(duì)的銀振強(qiáng)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(jī)平臺(tái)的量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，證明了利用無人機(jī)等移動(dòng)平臺(tái)能夠完成實(shí)用化的光量子信息任務(wù)。在該項(xiàng)研究中，團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了集成化量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)、全自動(dòng)小型化高精度跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)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(jī)平臺(tái)，完成了空地之間的量子密鑰分發(fā)，安全密鑰生成速率達(dá)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(shí)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并逐步走向?qū)嵱谩５橇孔用荑€分發(fā)的實(shí)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(dòng)平臺(tái)量子網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)。南京大學(xué)團(tuán)隊(duì)曾在國際上率先提出利用無人機(jī)等移動(dòng)平臺(tái)構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)想，并先后完成了基于無人機(jī)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，這些工作證明通過無人機(jī)進(jìn)行量子態(tài)傳輸是可行的，但是基于無人機(jī)移動(dòng)平臺(tái)的量子密鑰分發(fā)尚待實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
想要基于無人機(jī)移動(dòng)平臺(tái)實(shí)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(xiàng)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(jì)與研發(fā)成功解決了所有挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)了首例無人機(jī)與地面站之間的量子密鑰分發(fā)，實(shí)驗(yàn)的流程見圖1。
圖1 基于無人機(jī)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(duì)可機(jī)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(jí)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(gè)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(dòng)自由空間跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)
該系統(tǒng)由一對(duì)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(shí)現(xiàn)光學(xué)信號(hào)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(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位模塊，能夠在30秒內(nèi)完成目標(biāo)的全自動(dòng)捕獲與跟瞄。
(3)運(yùn)動(dòng)過程中的偏振控制技術(shù)
面向移動(dòng)平臺(tái)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(jī)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(shí)時(shí)校準(zhǔn)的動(dòng)中通偏振控制與保持技術(shù)。完整光路設(shè)計(jì)見圖2。
圖2 基于無人機(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)了量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)演示，見圖3。夜晚實(shí)驗(yàn)采集時(shí)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(shí)驗(yàn)采集時(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了利用無人機(jī)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)實(shí)用化光量子信息任務(wù)的可行性與可靠性。
圖3 實(shí)驗(yàn)中的無人機(jī)照片
圖4 夜晚與白天的量子密鑰分發(fā)結(jié)果
在本項(xiàng)工作中，研究者們自主研發(fā)了多項(xiàng)核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了首例無人機(jī)和地面站之間的量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)演示。利用研發(fā)的收發(fā)一體APT技術(shù)，可以輕松的實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間分發(fā)距離、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量等重要指標(biāo)的提升，用于實(shí)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(jìn)一步的技術(shù)發(fā)展，有望基于固定翼高空無人機(jī)實(shí)現(xiàn)廣域量子密鑰分發(fā)，實(shí)現(xiàn)全時(shí)全方位覆蓋的移動(dòng)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(dá)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(qiáng)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(xiàng)研究得到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、江蘇省前沿引領(lǐng)技術(shù)基礎(chǔ)研究專項(xiàng)、南京大學(xué)卓越計(jì)劃、江蘇省卓越博士后計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。
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