国际首例基于无人机移动平台的量子密钥分发

[本刊讯] 南京大学谢臻达、龚彦晓、祝世宁团队与中国科学技术大学郭光灿、韩正甫团队的银振强教授、王双教授、陈巍教授合作，在国际上率先完成基于无人机平台的量子密钥分发（quantum key distribution， QKD）实验，证明了利用无人机等移动平台能够完成实用化的光量子信息任务。团队自主研发了集成化QKD系统、全自动小型化高精度跟踪瞄准系统和运动状态下的偏振控制系统，搭载于自主研发的小型多旋翼无人机平台，完成了空地之间的QKD，安全密钥生成速率达到8000比特每秒。相关成果于2024年11月13日在线发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。

量子信息传输的最终目标是直接用量子态传输信息，现阶段能够做到的是通过QKD利用量子方法实现信息加密传输。此前，QKD已经通过光纤和卫星作为载体获得实验验证，并逐步走向实用。但是QKD的实际应用迫切需要将单光子直接传输到终端用户的能力，这有赖于移动平台量子网络的实现。南京大学团队曾在国际上率先提出利用无人机等移动平台构建量子网络的构想，并先后完成了基于无人机的纠缠光子分发与光学中继纠缠分发的实验验证，这些工作证明通过无人机进行量子态传输是可行的，但是基于无人机移动平台的QKD尚待实验验证。

想要基于无人机移动平台实现QKD，系统的重量、体积、稳定性等方面面临多项技术挑战。该项工作研发的核心技术与系统包括：①集成化QKD系统。②全自动自由空间跟踪瞄准系统，由一对收发一体的捕获、指向和跟踪（acquisition， pointing， and tracking， APT）系统组成，可以在自由空间实现光学信号从单模光纤到单模光纤的低损耗传输，仅重 5千克。此外，系统还集成了惯性测量模块和实时动态定位模块，能够在30秒内完成目标的全自动捕获与跟瞄。③运动过程中的偏振控制技术面向移动平台偏振编码QKD的应用需求，通过在无人机端引入额外的保偏光纤路径，利用混合编码的方案发展了全套无须实时校准的动中通偏振控制与保持技术。

利用上述核心系统与技术，研究人员最终在相距200米的无人机与地面站之间建立了一条低损耗、高保真的光量子链路，并在夜晚和照度低于3000勒克斯的白天成功实现了QKD实验演示。实验结果证实了利用无人机平台实现实用化光量子信息任务的可行性与可靠性。未来，通过进一步的技术发展，有望基于固定翼高空无人机实现广域QKD，构建全时全方位覆盖的移动量子互联。

（勇 兰）