用無人機做量子網絡中繼站，單模光纖接發(fā)信號降損

  ICC訊 量子糾纏是一種奇異的量子力學現象，處于糾纏態(tài)的兩個光子不論相距多遠都存在一種關聯，其中一個量子狀態(tài)發(fā)生改變，另一個的狀態(tài)會瞬時發(fā)生改變。把兩個糾纏光子分別發(fā)送到兩個點，通過觀察兩個點的投影測量結果，就可以驗證量子糾纏是否存在。這一特性如果應用在通信領域，可以觀察兩個點的光子的糾纏態(tài)是否丟失，來判斷信息是否被竊聽。

  而自由空間的光傳輸會發(fā)生衍射，造成信息丟失或帶來噪聲，使用光學中繼站，可以讓信息在傳輸中更大程度地保真，讓長距離傳輸的量子信息也能精準安全抵達。

  前不久，中國科學院院士祝世寧領銜的南京大學固體微結構物理國家重點實驗室謝臻達、龔彥曉教授課題組在一項實驗中，在兩架相距200米的重約35千克的無人機和地面之間構建了一個小型的量子通信網絡，并向地面相距1公里的兩個望遠鏡，分別發(fā)送一個光子，最終測得了高保真度的具有糾纏特性的光子對。

  這一成果近日發(fā)表于物理學旗艦刊物《物理評論快報》。美國物理學會的《物理》、美國《科學新聞》和英國《新科學家》等國際三大專業(yè)科學媒體對研究的重要意義進行評價。

  用無人機做量子網絡中繼站，單模光纖接發(fā)信號降損

  想組建信息傳輸網絡，必須要依靠“中繼站”，這有點類似無線移動通信的基站。如果信息在歷經中轉后依然能準確無誤的抵達目的地，就要求中繼站一要損耗小，二要保真度高。

  一年前，該團隊嘗試由一架無人機中在空中分別向兩個便攜式地面站發(fā)送光子，并首次成功實現基于無人機的糾纏光子分發(fā)。當時，為了收集光子，每個地面站都配備了一個26毫米口徑的望遠鏡，以及一個單光子探測器。

  然而，光通信形式的一個主要挑戰(zhàn)來自衍射。隨著單個光子的傳播，其波前會像手電筒的光束一樣擴散展開。

  如果這種擴散使得波前大于望遠鏡的孔徑，那么光子被收集的機會就會減小。想實現糾纏光子更遠距離的傳輸，必須克服光的衍射帶來的損失，這就要構建光的準直系統，中繼站便是關鍵。

  在此次實驗中，研究團隊添加了第二架無人機，作為第一架無人機和地面站之間的中繼站。

  “我們在一架無人機上搭載了一個糾纏光子源，并將其中一個光子發(fā)送到距離400米遠的地面站的望遠鏡上。再將第二個光子，通過單模光纖發(fā)送到第二架無人機上，第二架無人機上直徑4微米的單模光纖接收后，再將其發(fā)送到第二個地面站的望遠鏡上。第二架無人機接收光子的過程類似于聚焦透鏡，重塑了光子的波前。這樣一來，光子到達另一個地面站望遠鏡上的機會變得更大了?！贝舜握撐牡耐ㄓ嵶髡咧恢x臻達教授告訴科技日報記者，這是他們在無人機糾纏光子分發(fā)實驗光路中首次使用光學中繼以減少損耗，并且將光學中繼的節(jié)點放到了處于飛行狀態(tài)的小型無人機上，在數千克的載荷限制內實現單光子的高精度跟瞄接收和重新發(fā)射，尤如百步穿楊。

  值得欣喜的是，實驗成功了，“測量發(fā)現，通過光學中繼，糾纏光子分發(fā)的距離突破了小型光學系統的衍射限制，在分發(fā)距離1千米的情況下，測得貝爾不等式S值達到2.59±0.11的，證明了這種光學中繼高度保持了光子對的糾纏特性，是一種有效的量子鏈路?！敝x臻達說。

  組網更加靈活，未來將嘗試300公里高空量子傳輸

  這一成果，得到多家國際知名學術期刊的關注。美國《物理》評論，“衛(wèi)星價格昂貴而且難以適應地面上不斷變化的需求”，而“攜帶光學設備的小型無人機可以提供一種靈活的解決方案,在量子網絡中鏈接多個用戶”，“該工作可以催生基于無人機的量子網絡，在城市和農村地區(qū)上空實現可重構定位部署?！?

  英國的《新科學家》雜志則評價，在這個工作中，人們首次實現了移動節(jié)點間自由空間量子鏈路的搭建。英國布里斯托爾大學Siddarth Joshi在接受《新科學家》雜志采訪時評論，“這項成就標志著邁向量子互聯網的重要一步…當你在開車過程中想要保持安全的量子通信，這些無人機可以在你車后飛來飛去(以保持連接)?！?

  美國《科學新聞》評論認為：“人們可能會通過無人機接入量子互聯網…將來無人機機群可以協同工作，將糾纏光子發(fā)送到各個位置的接收者?！?

  謝臻達表示，今后可以在多臺無人機之間通過中繼交換量子信息，將信息傳得更遠，散得更廣?！盁o人機之間的量子傳輸不受固定的光纖傳輸的影響，沒有介質損耗，而且可以根據需要，靈活組網，例如在應急、急救場景的量子通信中，臨時組網、多次組網?！?

  展望未來，謝臻達介紹，利用小型無人機可以實現局域組網，甚至覆蓋行駛中的車輛，這些設備都可以鏈接到衛(wèi)星和光纖系統實現全球量子組網?！拔磥砦覀円矔L試用更高巡航高度的移動平臺，例如固定翼飛機或者氣球，來實現300多公里的單鏈路連接，這樣可以不受大氣污染和天氣環(huán)境引起的光束畸變影響，構建廣域移動量子鏈路?！?