在量子计算与通信技术快速发展的背景下，构建全球量子互联网成为科研领域的热门课题。传统加密技术面临量子计算的潜在威胁，亟需发展“量子证明”通信框架以保障信息安全。量子网络凭借量子纠缠与叠加原理，可在远距离传输量子比特（qubits）时提供无与伦比的安全性，其通过量子密钥分发（QKD）即时检测网络入侵行为。

在此背景下，5月29日，美国肯尼索州立大学计算机科学系研究人员在arXiv平台上发表题为“Towards A Global Quantum Internet: A Review of Challenges Facing Aerial Quantum Networks”（迈向全球量子互联网：空中量子网络面临的挑战综述）的研究论文，Nitin Jha为论文第一作者。

本文对构建全球量子互联网过程中的飞行量子网络面临的挑战进行了综述。研究人员详细阐述了飞行量子链路的工作原理、面临的建设难题以及相应的解决方案。经研究发现，通过将地面站、飞行中继器与轨道卫星整合为一个无缝系统，能够推动实用量子互联网的发展。例如，将无人机、高空气球等飞行平台用于量子网络，可避免地面光纤在长距离传输量子比特时的信号衰减问题，同时也可以弥补地球静止轨道卫星信号延迟、衰减，需要大型高功率地面站以及在恶劣天气下性能受限等不足。

同时，研究人员通过对大气湍流等环境干扰因素的深入分析，以及对光学跟踪系统和轻量化量子设备的探索，为飞行量子网络的建设提供了理论基础和实践指导，指出了飞行量子网络在提升非地面量子网络整体性能方面的重要作用，为实现全球量子安全通信提供了新的思路和方向。

研究背景

在当今数字化时代，信息安全面临着前所未有的挑战。随着量子计算技术的飞速发展，传统基于数学难题的加密方法正逐渐失去其安全性保障。

量子网络作为一种新型通信框架，凭借量子物理定律赋予的独特优势，有望成为未来安全通信的核心技术。它利用量子纠缠和叠加现象，在长距离传输量子比特的过程中，任何窃听行为都能被及时发现，从而确保通信的绝对安全性。从智能家居设备到国家防御系统，对强大加密技术的需求日益高涨，量子网络的开发应运而生，为保护敏感信息提供了新的希望。

目前，大规模量子网络尚处于概念验证阶段，全球范围内的研究团队正在努力推进相关技术的发展。例如，我国科学家成功构建300公里全连接量子直接通信网络，欧洲也在量子互联网联盟下开展了一系列试点项目。同时，卫星量子通信也取得了重要进展，如我国在国际上首次实现量子微纳卫星与小型化、可移动地面站之间的实时星地量子密钥分发，这是我国首次实现上万公里星地量子通信。

图：量子微纳卫星“济南一号”星地量子密钥分发实验示意图

然而，要实现真正的全球量子安全通信，仅仅依靠地面光纤和卫星链路是远远不够的。空中量子网络作为非地面量子通信网络的关键组成部分，具有在灾难区域、复杂地形等特殊环境下快速部署的优势，能够有效提升量子网络的效率和可扩展性，成为实现全球量子互联网不可或缺的一环。

理论方法

量子网络基础原理

量子网络的核心是量子比特（qubit），这是量子信息的基本单位，与经典比特不同，它具有独特的物理特性。

图：量子网络示意图

不可克隆原理指出，未知的量子态无法被精确复制，这意味着一旦量子信号被窃听或篡改，接收方能够立即察觉，从而确保了通信的安全性。

量子叠加原理则使量子比特能够同时处于多种状态的叠加，这为量子计算和通信带来了并行处理的优势，使得量子计算机在处理特定复杂问题时，能够比传统计算机更高效地探索多种可能的解决方案。

图：量子叠加原理的示意图（以薛定谔的猫为例）

量子纠缠现象更是量子网络的关键资源，当两个量子比特处于纠缠态时，无论它们相距多远，对其中一个比特的测量结果会瞬间决定另一个比特的状态，这种非局域关联为量子通信中的密钥分发和量子隐形传态等技术提供了基础。

空中量子网络构建原理

空中量子网络通过将无人机、热气球、飞机等空中平台作为中继节点，实现量子信号在地面站与空中平台之间以及空中平台之间的传输。具体来说，地面站首先向上发射量子信号，空中平台接收并暂存这些信号，然后根据网络拓扑和通信需求，将信号转发至其他空中平台或直接传回地面站。这一过程涉及精确的量子态制备、传输和测量技术，以及复杂的网络协议和路由策略。

图：空中量子通信网络示意图

为了保证量子信号的可靠传输，需要综合考虑大气湍流、平台运动等因素对信号的影响。在信号制备阶段，采用高亮度、高纯度的量子光源，如激光器产生的单光子或纠缠光子对，以提高信号的质量和传输效率。在传输过程中，利用先进的光学天线和跟踪系统，精确对准发射和接收方向，减小信号的发散和损耗。同时，采用量子纠错编码等技术，对传输过程中可能出现的量子比特错误进行纠正，确保接收方能够准确地重构原始量子信息。

量子密钥分发与网络协议

量子密钥分发（QKD）是空中量子网络中实现安全通信的关键技术。在QKD过程中，发送方（Alice）通过量子信道向接收方（Bob）发送一系列量子比特，这些量子比特的态制备基于预先选定的基矢。Bob使用随机选择的基矢进行测量，并将测量结果通过经典信道反馈给Alice。双方通过比对基矢选择情况，筛选出在相同基矢下测量的量子比特，从而得到一串原始密钥。

由于量子不可克隆原理，任何窃听者（Eve）对量子信道的干扰都会引入可检测的错误，Alice和Bob可以通过对密钥进行误差估计和隐私放大等后处理步骤，最终得到安全的共享密钥。这一密钥可用于对后续通信进行加密和解密，确保信息的机密性和完整性。

图：不可克隆原理的示意图

在空中量子网络中，多个节点之间的通信需要遵循特定的网络协议。这些协议负责协调量子密钥的分发、管理密钥的存储和更新，以及控制量子信号在网络中的路由选择。例如，在一个基于无人机的空中量子网络中，需要设计高效的路由算法，根据无人机的位置、飞行状态和通信需求，动态地选择最佳的中继路径，以实现量子信号的快速、可靠传输，同时保证量子密钥的安全性和有效性。

实验方案

实验平台搭建

实验平台主要包括地面站、空中平台（如无人机）以及相关量子通信设备。地面站配备高精度的光学望远镜、激光发射与接收系统、量子态制备与测量装置等，用于产生和发送量子信号，以及接收来自空中平台的回传信号。空中平台则搭载小型化的量子通信终端，包括光学天线、跟踪瞄准系统、单光子探测器、量子存储器等关键部件，以实现量子信号的接收、存储和转发功能。

在搭建过程中，需要对各个设备进行精确校准和优化。例如，光学望远镜的焦距、光轴对准等参数需要根据实际通信距离和大气条件进行调整，确保量子信号能够高效地耦合到望远镜系统中。激光发射系统的波长、脉冲宽度、功率等参数也需要根据量子通信的要求进行选择和稳定控制，以提高量子信号的质量和传输效率。同时，无人机平台的飞行控制系统需要与量子通信终端进行深度融合，保证在飞行过程中量子设备的稳定性，减少因平台运动导致的量子信号抖动和损耗。

图：不同大气条件下的空中通信网络组件

量子信号传输实验

首先进行的是量子信号的上行传输实验，即从地面站向空中平台发送量子信号。实验中，地面站产生一系列纠缠光子对，其中一束光子作为信号光子向上发射，另一束光子作为参考光子保留在地面站用于后续的关联测量和密钥提取。在发射过程中，通过精确的光学瞄准和跟踪系统，确保信号光子能够准确地进入无人机平台的接收光学天线。无人机平台上的单光子探测器对接收到的信号光子进行测量，并将测量结果通过经典通信链路反馈回地面站。同时，地面站对参考光子进行相应的测量，通过比较两者的测量结果，验证量子纠缠的保持情况以及量子信号在大气传输过程中的质量。

接下来是量子信号的下行传输实验，即从空中平台向地面站发送量子信号。无人机平台作为信号源，产生量子比特序列，并通过其光学发射系统将信号发送回地面站。地面站使用高灵敏度的单光子探测器接收信号，并对量子比特进行测量和解码。为了评估信号传输的性能，测量关键指标包括量子比特误码率（QBER）、信号强度、传输速率等。通过对比不同大气条件下的实验数据，分析大气湍流等因素对量子信号传输的影响，为后续的补偿技术和优化方案提供实验依据。

网络组网与密钥分发实验

在完成单链路的量子信号传输实验后，开展网络组网实验，构建由多个地面站和空中平台组成的量子通信网络。实验中，模拟不同的网络拓扑结构，如星型、链型、网状型等，研究量子信号在网络中的路由选择和中继传输策略。通过在空中平台之间以及空中平台与地面站之间建立量子链路，实现量子密钥在多个节点之间的分发和共享。

图：BB84 Bit编码（左）& E91协议的设置表示（右）

在密钥分发过程中，采用量子密钥分发协议，如BB84协议或E91协议，进行量子密钥的协商和提取。各节点根据网络协议，动态地与其他节点建立量子信道，完成密钥的分发过程。同时，为了验证密钥的安全性和有效性，进行密钥的统计分析和安全性评估实验。通过分析密钥的随机性、均匀性以及抵抗窃听攻击的能力，确保量子密钥在实际通信中的可靠性和安全性。此外，还模拟不同的网络攻击场景，如中间人攻击、拦截重发攻击等，对量子网络的安全防护机制进行测试和验证，进一步优化网络协议和安全策略，提高空中量子网络的抗攻击能力。

研究成果

本文对空中量子网络进行了全面而深入的研究，取得了一系列重要的研究成果。

  • 首先，明确了空中量子网络在构建全球量子互联网中的关键作用，通过结合地面光纤网络、低地球轨道卫星、地球静止轨道节点等资源，能够实现真正意义上的全球化、高速、安全的量子通信网络。这一构想为未来量子互联网的发展提供了清晰的方向和蓝图。

  • 其次，对空中量子网络面临的实际挑战进行了系统性的分析，特别是大气湍流对量子信号传输的影响。通过实验和理论研究，详细阐述了大气湍流导致的波束弯曲、散射、强度减弱以及大气衰减和波束发散损失等现象的原理和影响因素。这些研究成果为后续提出有效的解决方案提供了坚实的理论基础，也为量子通信设备的设计和优化提供了关键的参考依据。

  • 再次，提出了一系列切实可行的解决方案，包括基于混合模型的低空空中量子网络设计、链路配置与预算策略、链路裕量调整方法以及时间同步技术等。这些技术方案在一定程度上能够有效缓解大气湍流等环境因素对空中量子网络性能的影响，提高量子信号的传输质量和可靠性，为实现空中量子网络的实际应用迈出了关键一步。

  • 最后，通过实验验证了空中量子网络的可行性，并对实验结果进行了深入分析。实验数据表明，在一定的条件下，空中量子网络能够实现量子信号的稳定传输和量子密钥的安全分发，量子比特误码率等关键指标满足量子通信的基本要求。这些实验成果不仅验证了理论方法的正确性，也为未来大规模部署空中量子网络提供了宝贵的经验和数据支持。

创新点

本文的创新点主要体现在以下几个方面：

其一，提出了将空中量子网络作为非地面量子通信网络的关键组成部分，与地面光纤网络和卫星网络相结合，构建多层量子互联网的创新构想。这种融合式的网络架构能够充分发挥各层次网络的优势，克服单一网络的局限性，为实现全球范围内的低延迟、高安全性量子通信提供了全新的思路和解决方案。

其二，在对空中量子网络面临的挑战进行深入分析的基础上，开发了一系列针对性的解决方案。例如，混合模型的提出为低空空中量子网络的建模和优化提供了新的方法，能够更准确地描述和量化大气湍流等环境因素对量子信号的影响；链路配置与预算策略以及链路裕量调整方法则为提高量子信号的传输性能提供了有效的技术手段；时间同步技术的创新应用确保了空中量子网络在动态环境下的通信可靠性。这些创新技术相互配合，能够显著提升空中量子网络的整体性能和适应性。

其三，通过实验验证了空中量子网络的可行性和有效性，并对其性能指标进行了详细分析和评估。实验结果不仅为理论研究提供了有力支持，也为未来空中量子网络的实际部署和应用提供了重要的参考依据。这种理论与实验相结合的研究方法，确保了研究成果的实用性和可靠性，加速了空中量子网络技术从实验室走向实际应用的进程。

综上所述，本文在空中量子网络的架构设计、理论分析、技术方案和实验验证等方面均提出了创新性的观点和方法，推动了量子通信技术在非地面环境下的发展和应用，为构建全球量子互联网做出了重要贡献。

参考链接

[1]https://arxiv.org/html/2505.23603v1

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