光學中繼助推移動量子網絡構建 量子無人機組正起飛

  來自南京大學消息顯示，南京大學固體微結構物理國家重點實驗室祝世寧院士團隊在量子信息研究取得最新進展，在無人機糾纏光子分發實驗光路中首次使用了光學中繼以減少損耗，并且將光學中繼的節點放到了處于飛行狀態的小型無人機上，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射。

  通過光學中繼，糾纏光子分發的距離突破了小型光學系統的衍射限制，在分發距離1千米的情況下測得了2.59±0.11的CHSH S值，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。

  該成果使得他們在朝著構建無人機移動量子信息網絡的方向上又向前跨出了關鍵一步。

  據了解，祝世寧院士團隊曾歷時兩年多研發并于去年在國際上首次成功實現了基于無人機的糾纏光子分發，該成果在著名期刊《國家科學評論》上發表。有評論指出，量子通信的“下一個最佳選擇可能是相對便宜的無人機”。

  此前，量子糾纏分發主要有兩種，一種需依托光纖鏈路;另一種是在衛星和地面之間的自由空間分發傳輸?！坝脽o人機進行量子糾纏分發，具有機動快速、按需組網、易于擴展、成本低廉的特點?！敝袊茖W院院士、南京大學教授祝世寧說，從2017年開始，研究團隊便輾轉南京、石家莊、蘭州做實驗，最終實現了基于無人機的量子糾纏分發。

  展望未來，這種光學中繼可以用在以無人機構建的量子信息網絡中，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，并且能實現即搭即用的多節點移動量子網絡，機動靈活。

  該成果于近日在國際知名學術期刊《物理評論快報》上發表。國際三大專業科學媒體：美國物理學會的《物理》、美國《科學新聞》和英國《新科學家》也在文章上線的第一時間發表評論，對該項進展進行了報道，對其重要意義進行了評價。

  美國《物理》評論指出：“世界上已有一些團隊正在研究無人機通信系統，而這個團隊去年就實現了單一無人機與兩個地面站之間的量子連接。但為了實現糾纏光子更遠距離的傳輸，必須克服光本身的固有屬性-光的衍射帶來的損失，這就要構建光的準直系統?！?“該研究團隊通過采用光學中繼的方法解決衍射損耗這一自由空間光量子傳輸的核心問題，采用了增加第二架無人機，作為第一架無人機和地面站之間的中繼，通過中繼過程重塑了光子的波前，從而使光子能以更高效率進入地面站上的望遠鏡?！?“衛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，在城市和農村地區上空實現可重構定位部署?！?

  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，將糾纏光子發送到各個位置的接收者。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)。

  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點間自由空間量子鏈路的搭建，作者援引倫敦帝國理工學院Myungshik Kim的評論指出：“將如此復雜的光學器件集成進移動的無人機，在移動過程中實現量子連接，這無疑增加了實現難度，這是一項重大的技術進步?！?

  除此之外，論文通訊作者之一謝臻達表示，希望未來“通過更高巡航高度的無人機來實現300多公里的單鏈路連接，而不受大氣污染和天氣環境引起的光束畸變影響;而更廉價的小型無人機可以實現局域連接，甚至覆蓋行駛中的車輛。所有這些設備都可以鏈接到衛星和光纖系統實現全球(量子)組網。

  在這項工作完成涉及南京大學一個跨學科的團隊，許多老師和研究生都參與其中做出了重要貢獻。博士生劉華穎、田曉慧、范鵬飛，碩士生顧昌晟為論文的共同第一作者，謝臻達、龔彥曉、祝世寧為共同通訊作者。該項研究得到了南京大學卓越計劃、江蘇省科技廳前沿引領項目、科技部國家重點研發計劃、國家自然科學基金等項目的支持，南智先進光電集成技術研究院提供了重要的技術支撐。