國際首例基于無人機移動平臺的量子密鑰分發

[本刊訊] 南京大學謝臻達、龔彥曉、祝世寧團隊與中國科學技術大學郭光燦、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（quantum key distribution， QKD）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。團隊自主研發了集成化QKD系統、全自動小型化高精度跟蹤瞄準系統和運動狀態下的偏振控制系統，搭載于自主研發的小型多旋翼無人機平臺，完成了空地之間的QKD，安全密鑰生成速率達到8000比特每秒。相關成果于2024年11月13日在線發表于《物理評論快報》（Physical Review Letters）。

量子信息傳輸的最終目標是直接用量子態傳輸信息，現階段能夠做到的是通過QKD利用量子方法實現信息加密傳輸。此前，QKD已經通過光纖和衛星作為載體獲得實驗驗證，并逐步走向實用。但是QKD的實際應用迫切需要將單光子直接傳輸到終端用戶的能力，這有賴于移動平臺量子網絡的實現。南京大學團隊曾在國際上率先提出利用無人機等移動平臺構建量子網絡的構想，并先后完成了基于無人機的糾纏光子分發與光學中繼糾纏分發的實驗驗證，這些工作證明通過無人機進行量子態傳輸是可行的，但是基于無人機移動平臺的QKD尚待實驗驗證。

想要基于無人機移動平臺實現QKD，系統的重量、體積、穩定性等方面面臨多項技術挑戰。該項工作研發的核心技術與系統包括：①集成化QKD系統。②全自動自由空間跟蹤瞄準系統，由一對收發一體的捕獲、指向和跟蹤（acquisition， pointing， and tracking， APT）系統組成，可以在自由空間實現光學信號從單模光纖到單模光纖的低損耗傳輸，僅重 5千克。此外，系統還集成了慣性測量模塊和實時動態定位模塊，能夠在30秒內完成目標的全自動捕獲與跟瞄。③運動過程中的偏振控制技術面向移動平臺偏振編碼QKD的應用需求，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展了全套無須實時校準的動中通偏振控制與保持技術。

利用上述核心系統與技術，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，并在夜晚和照度低于3000勒克斯的白天成功實現了QKD實驗演示。實驗結果證實了利用無人機平臺實現實用化光量子信息任務的可行性與可靠性。未來，通過進一步的技術發展，有望基于固定翼高空無人機實現廣域QKD，構建全時全方位覆蓋的移動量子互聯。

（勇 蘭）