无人机——量子互联网的关键环节

光子盒研究院出品

无人机（UAV）的颠覆性技术已经是一种趋势，在当前和未来社会中具有广泛的应用。如今，传输量子加密消息以进行机密信息共享相关的实验层出不穷，其中光纤和卫星通信是交换量子比特的主流选择；然而，目前的量子比特交换具有各种性能限制：传输效果受环境影响较大（太空检测、海水检测受限）、部署较慢、成本较高，为此，无人机可以被用作量子通信的媒介。

5月25日，美国佛罗里达大西洋大学（FAU）的Warner A.Miller博士团队、量子加密技术公司Qubitekk、全球航空航天和国防技术创新公司L3Harris宣布，合作为美国提供第一个基于无人机的移动量子网络，以在建筑物、恶劣天气和地形周围无缝机动并快速适应战争等不断变化的环境[1]。

该项目受美国国防部长办公室委托。该网络包括一个地面站、无人机、激光器和光纤，以共享量子安全信息。FAU将为该项目提供单光子源，并计划在无人机中加入量子存储器，以便它们能够进行纠错、中继和存储信息。

左起：FAU研究生Anthony Davis、Warner A. Miller博士、合作者Pedram Nimreezi，站在大型无人机后面，其中包括一个由地面站、激光器和光纤组成的网络。

随着这种通信的可能性越来越大，预计未来将开发用于任何存储、通信或计算的无人机上的量子设备集成。

量子无人机互联网（IoQD）的应用涉及许多安全和身份验证问题。在最近的实验中，已经讨论了基于无人机的量子网络通信的原型：量子信号在短距离内可以用于交换量子比特，可以很容易地借助无人机进行量子信息交换。由于无人机可以随时随地定位或重新定位，因此IoQD对城市和农村地区非常有帮助。

韩国江原道地区的北部边界是军事分界线，将其与朝鲜江原道分开。2022年2月，韩国KT公司的Hyung-so（Hans）Kim博士在IQT海牙会议上介绍了成功开展的“江原道量子无人机计划”：部署量子密钥分发网络（QKDN）可在两个相邻的地方政府之间安全地传输无人机视频数据。

“江原道量子无人机计划”示意图。

无线通信在无人机和当地政府的监控中心之间提供连接。一组QKD系统Alice和Bob（例如上图的A和B）安装在租用线路的两端，以提供基于QKD的安全性（量子密码）到光缆中。但是，无人机位于QKD连接范围之外。通过在飞行前将QKD提供的量子加密密钥注入控制中心的加密器（上图的地方政府B和无人机），不仅无人机可以被控制、信号受到保护，而且来自无人机的视频信号也被加密和保护。因此，中心和无人机（在飞行过程中）可以与QKD加密的数据进行通信。

无线QKD技术尚未商业化实施，因为移动物体在所需的高精度指向和跟踪下执行是一项挑战。关于开发和部署私有IoQD的可行性，量子无人机为构成私有IoQD提供了充分的灵活性。这些私有IoQD网络可用于许多有用的实时应用，例如军事监视、流量监控、互联网服务和安全的远距离消息交换。

IoQD的潜在应用

量子卫星是现实自由空间量子网络的关键组成部分，因为它们消除了长距离的光子损失。建立卫星链路以交换量子加密数据，被认为是迈向“量子互联网（QI）”的第一步。

使用量子无人机、光纤和卫星进行远距离连接。

早在2019年6月，IEEE发文章称，南京大学的“量子无人机”(Quantum Drone)技术得到了突破性发展，为了弥补量子卫星通信的不足，南京大学的研究人员尝试利用无人机作为卫星和地面量子网络之间的关键节点[2]。

研究人员开发了一种八轴旋翼飞行器，飞机共有35公斤，包括机载的量子通信系统。经过实验发现，量子无人机一次可以在空中盘旋40分钟。并且能够维持两个空对地链路，每个大约100米长，还可以在白天、晴朗的夜晚，甚至在雨夜接收和传输纠缠的光子。

可扩展量子网络示意图

通常情况下，光束衍射是自由空间量子网络的一个基本问题，其中衍射损耗占主导地位的是长距离，如卫星到地面的距离。然而，在基于无人机的网络中，可以应用多节点将长链路划分为较短链路。在这种情况下，每个无人驾驶飞机节点可以接收光子并将其重新发送到下一个节点以进行级联传输。另一种布局方式是可以缩小量子通信系统的规模，从而适应局域量子网络的小型无人机。还可以将其放大，从而装载到高空无人机上，这些无人机会成为跨越数百公里的广域网中的节点。

因此，量子无人机网络有望填补卫星和地基量子网络之间的短板。

2020年1月，该团队又报道在国际上首次成功实现了基于无人机的纠缠光子分发，虽然该实验仅展示了200米以上的纠缠分发和接收能力，但通过器件参数优化、多机组网，利用现有的无人机能力就可以实现数平方公里的覆盖。这种机载移动量子通信平台也可以通过高空无人机、高空气球等多种载体构建长距离链路，并与现有的光纤和卫星量子网络连接，在广阔天空中填补天地之间的空缺，解决不同层次的量子网络全天候、广覆盖的问题。

2021年1月，该团队实现了具有无人机移动节点光学中继的纠缠分发。论文通讯作者之一谢臻达表示，希望未来“通过更高巡航高度的无人机来实现300多公里的单链路连接，而不受大气污染和天气环境引起的光束畸变影响；而更廉价的小型无人机可以实现局域连接，甚至覆盖行驶中的车辆。所有这些设备都可以链接到卫星和光纤系统实现全球（量子）组网。”

IoQD是一种新技术，可用于广泛的企业、空间通信和地球间信息收集。无人机现在正被广泛应用于各种部门和事务，包括农业、医疗保健、车辆通信、灾害管理和药品输送。

近年来，无人机作为一个基本概念越来越受欢迎，导致地面网络和空中无人机之间新型联系的发展。IoQD的可行性使通信更安全、更快速、更远距离；使用这种方法更加简单，因为集成到通信设备中的无线接口使其更容易、更舒适。由于其可变的高度和受控的运动，IoQD也可能是在某些情况下提高性能和克服地面网络局限性的最有效手段。

期待未来量子卫星或量子无人机集成通信的进一步探索。

参考链接：

[1]https://www.fau.edu/newsdesk/articles/quantum-drone-security

[2]https://mp.weixin.qq.com/s/9vkNrOS1gw9Dhwo4lIPUgA

[3]https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214209622000341