量子糾纏是目前為止可知的最安全通訊方式。
量子糾纏時(shí)，如果一個(gè)糾纏狀態(tài)中的粒子被觀測(cè)那么一定會(huì)導(dǎo)致這種糾纏態(tài)的坍塌，量子通信的安全就是使用了量子糾纏的這個(gè)特性實(shí)現(xiàn)的。
注：量子通訊（Quantum Communication）是指利用量子效應(yīng)加密并進(jìn)行信息傳輸?shù)囊环N通訊方式。量子通訊主要涉及：量子密碼通信、量子遠(yuǎn)程傳態(tài)和量子密集編碼等，這門學(xué)科已逐步從理論走向?qū)嶒?yàn)，并向?qū)嵱没l(fā)展。高效安全的信息傳輸日益受到人們的關(guān)注?；诹孔恿W(xué)的基本原理，量子通訊具有高效率和絕對(duì)安全等特點(diǎn)，并因此成為國(guó)際上量子物理和信息科學(xué)的研究熱點(diǎn)。量子通訊是經(jīng)典信息論和量子力學(xué)相結(jié)合的一門新興交叉學(xué)科，與成熟的通信技術(shù)相比，量子通訊具有巨大的優(yōu)越性，具有保密性強(qiáng)、大容量、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)忍攸c(diǎn)。
量子糾纏通信在傳輸通道上也是絕對(duì)的安全，因?yàn)榱孔油ㄐ攀褂玫氖?ldquo;量子通道”來(lái)進(jìn)行信息傳遞的，每一對(duì)糾纏狀態(tài)的粒子的“量子通道”是不一樣的，所以根本不存在半道上信息被攔截或者被泄露的這樣的風(fēng)險(xiǎn)。這就是量子通信的安全原理。
量子通訊簡(jiǎn)單的理解就是把一個(gè)物體微粒化，然后在另一處整合復(fù)原。而通過(guò)量子通訊衛(wèi)星傳輸信息，能夠徹底杜絕間諜竊聽及破解的保密通信技術(shù)，抗衡外國(guó)的網(wǎng)絡(luò)攻擊，提升防御能力。
中國(guó)和歐洲的科學(xué)家目前正在開發(fā)基于衛(wèi)星的量子網(wǎng)絡(luò)，但是雖然量子衛(wèi)星克服了遠(yuǎn)距離光子損耗問(wèn)題，但是實(shí)時(shí)全方位覆蓋和多節(jié)點(diǎn)建設(shè)的挑戰(zhàn)仍然存在。比如低軌道衛(wèi)星只能在有限的時(shí)間窗內(nèi)與某些地面通信，另外太空發(fā)射的成本使得建立量子衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)昂貴。
無(wú)人機(jī)技術(shù)在南京大學(xué)的新突破
而最近，南京大學(xué)的無(wú)人機(jī)技術(shù)得到了突破性發(fā)展，為了彌補(bǔ)量子衛(wèi)星通訊的不足，南京大學(xué)的研究人員嘗試用無(wú)人機(jī)作為衛(wèi)星和地面量子網(wǎng)絡(luò)之間的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。
研究團(tuán)隊(duì)一共 16 人，幾乎都來(lái)自南京大學(xué)，涉及的機(jī)構(gòu)包括固態(tài)微結(jié)構(gòu)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、電子科學(xué)與工程學(xué)院、物理學(xué)院、工程管理學(xué)院等。
論文地址：
https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1905/1905.09527.pdf
具體來(lái)說(shuō)，他們測(cè)試了一種無(wú)人機(jī)，該無(wú)人機(jī)能夠保持兩個(gè)空對(duì)地鏈路，每個(gè)大約 100 米長(zhǎng)，甚至能下雨的夜晚接收和傳輸糾纏的光子。
如果成功，這種量子無(wú)人機(jī)將作為量子通信網(wǎng)絡(luò)的載體，搭建無(wú)法攻破的通信傳輸體系。
具體來(lái)說(shuō)研究人員開發(fā)了一種八軸旋翼飛行器，飛機(jī)共有 35 千克，這里包括機(jī)載的量子通信系統(tǒng)。
經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，量子無(wú)人機(jī)一次可以在空中盤旋 40 分鐘。并且能夠維持兩個(gè)空對(duì)地鏈路，每個(gè)大約 100 米長(zhǎng)，還可以在白天、晴朗的夜晚，甚至在雨夜接收和傳輸糾纏的光子。
通過(guò)將這種便攜式量子節(jié)點(diǎn)與現(xiàn)有衛(wèi)星和地基節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)，可以預(yù)期產(chǎn)生完全和廣泛覆蓋的量子網(wǎng)絡(luò)。
通常情況下，光束衍射是自由空間量子網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)基本問(wèn)題，其中衍射損耗占主導(dǎo)地位的是大距離，如衛(wèi)星到地面的距離。然而，在基于無(wú)人機(jī)的網(wǎng)絡(luò)中，可以應(yīng)用多節(jié)點(diǎn)將長(zhǎng)鏈路劃分為較短鏈路。在這種情況下，每個(gè)無(wú)人駕駛飛機(jī)節(jié)點(diǎn)可以接收光子并將其重新發(fā)送到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)以進(jìn)行級(jí)聯(lián)傳輸。
另一種布局方式是可以縮小量子通信系統(tǒng)的規(guī)模，從而適應(yīng)局域量子網(wǎng)絡(luò)的小型無(wú)人機(jī)。還可以將其放大，從而裝載到高空無(wú)人機(jī)上，這些無(wú)人機(jī)會(huì)成為跨越數(shù)百公里的廣域網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)。
總而言之，量子無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)或許會(huì)填補(bǔ)了衛(wèi)星和地基量子網(wǎng)絡(luò)之間的短板。
將面臨多重挑戰(zhàn)
部署無(wú)人機(jī)現(xiàn)在還面臨多重挑戰(zhàn)。例如，盡管該系統(tǒng)考慮到許多糾纏光子預(yù)計(jì)會(huì)在進(jìn)出無(wú)人機(jī)的途中散落，吸收或以其他方式丟失，但無(wú)人機(jī)的量子通信系統(tǒng)可能會(huì)判斷失誤。比如說(shuō)太陽(yáng)的光線就像其中一些失去糾纏的光子。而這些錯(cuò)誤可能會(huì)使用戶過(guò)度自信，從而危及系統(tǒng)的安全性。
此外，無(wú)人機(jī)在低層大氣中飛行，大氣湍流是信號(hào)衰退的重要來(lái)源，但是無(wú)人機(jī)本身就是湍流的一個(gè)重要來(lái)源。這種無(wú)法避免的湍流可能會(huì)大大降低量子通信的性能。
盡管有缺點(diǎn)，來(lái)自德國(guó)的量子科學(xué)家 Dmytro Vasylyev 說(shuō)，量子無(wú)人機(jī)仍然具有明顯的優(yōu)勢(shì)。它們可以作為“基于光纖的網(wǎng)絡(luò)的低成本移動(dòng)替代品”，還可以作為測(cè)試平臺(tái)，幫助研究人員研究天氣條件和其他大氣影響對(duì)量子通信的影響。他說(shuō)，這最終將為產(chǎn)生更好的基于衛(wèi)星的量子通信作出巨大貢獻(xiàn)。
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