光學(xué)中繼助推移動(dòng)量子網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建 量子無人機(jī)組正起飛

  來自南京大學(xué)消息顯示，南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室祝世寧院士團(tuán)隊(duì)在量子信息研究取得最新進(jìn)展，在無人機(jī)糾纏光子分發(fā)實(shí)驗(yàn)光路中首次使用了光學(xué)中繼以減少損耗，并且將光學(xué)中繼的節(jié)點(diǎn)放到了處于飛行狀態(tài)的小型無人機(jī)上，在數(shù)千克的載荷限制內(nèi)實(shí)現(xiàn)單光子的高精度跟瞄接收和重新發(fā)射。

  通過光學(xué)中繼，糾纏光子分發(fā)的距離突破了小型光學(xué)系統(tǒng)的衍射限制，在分發(fā)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(xué)中繼高度保持了光子對(duì)的糾纏特性，是一種有效的量子鏈路。

  該成果使得他們?cè)诔鴺?gòu)建無人機(jī)移動(dòng)量子信息網(wǎng)絡(luò)的方向上又向前跨出了關(guān)鍵一步。

  據(jù)了解，祝世寧院士團(tuán)隊(duì)曾歷時(shí)兩年多研發(fā)并于去年在國際上首次成功實(shí)現(xiàn)了基于無人機(jī)的糾纏光子分發(fā)，該成果在著名期刊《國家科學(xué)評(píng)論》上發(fā)表。有評(píng)論指出，量子通信的“下一個(gè)最佳選擇可能是相對(duì)便宜的無人機(jī)”。

  此前，量子糾纏分發(fā)主要有兩種，一種需依托光纖鏈路;另一種是在衛(wèi)星和地面之間的自由空間分發(fā)傳輸?！坝脽o人機(jī)進(jìn)行量子糾纏分發(fā)，具有機(jī)動(dòng)快速、按需組網(wǎng)、易于擴(kuò)展、成本低廉的特點(diǎn)?！敝袊茖W(xué)院院士、南京大學(xué)教授祝世寧說，從2017年開始，研究團(tuán)隊(duì)便輾轉(zhuǎn)南京、石家莊、蘭州做實(shí)驗(yàn)，最終實(shí)現(xiàn)了基于無人機(jī)的量子糾纏分發(fā)。

  展望未來，這種光學(xué)中繼可以用在以無人機(jī)構(gòu)建的量子信息網(wǎng)絡(luò)中，多臺(tái)無人機(jī)之間通過中繼交換量子信息，將信息傳得更遠(yuǎn)，散得更廣，并且能實(shí)現(xiàn)即搭即用的多節(jié)點(diǎn)移動(dòng)量子網(wǎng)絡(luò)，機(jī)動(dòng)靈活。

  該成果于近日在國際知名學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上發(fā)表。國際三大專業(yè)科學(xué)媒體：美國物理學(xué)會(huì)的《物理》、美國《科學(xué)新聞》和英國《新科學(xué)家》也在文章上線的第一時(shí)間發(fā)表評(píng)論，對(duì)該項(xiàng)進(jìn)展進(jìn)行了報(bào)道，對(duì)其重要意義進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

  美國《物理》評(píng)論指出：“世界上已有一些團(tuán)隊(duì)正在研究無人機(jī)通信系統(tǒng)，而這個(gè)團(tuán)隊(duì)去年就實(shí)現(xiàn)了單一無人機(jī)與兩個(gè)地面站之間的量子連接。但為了實(shí)現(xiàn)糾纏光子更遠(yuǎn)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(gòu)建光的準(zhǔn)直系統(tǒng)?！?“該研究團(tuán)隊(duì)通過采用光學(xué)中繼的方法解決衍射損耗這一自由空間光量子傳輸?shù)暮诵膯栴}，采用了增加第二架無人機(jī)，作為第一架無人機(jī)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(jìn)入地面站上的望遠(yuǎn)鏡?！?“衛(wèi)星價(jià)格昂貴而且難以適應(yīng)地面上不斷變化的需求”，而“攜帶光學(xué)設(shè)備的小型無人機(jī)可以提供一種靈活的解決方案,在量子網(wǎng)絡(luò)中鏈接多個(gè)用戶”，“該工作可以催生基于無人機(jī)的量子網(wǎng)絡(luò)，在城市和農(nóng)村地區(qū)上空實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)定位部署。”

  美國《科學(xué)新聞》評(píng)論認(rèn)為：“人們可能會(huì)通過無人機(jī)接入量子互聯(lián)網(wǎng)…將來無人機(jī)機(jī)群可以協(xié)同工作，將糾纏光子發(fā)送到各個(gè)位置的接收者。英國布里斯托爾大學(xué)Siddarth Joshi在接受《新科學(xué)家》雜志采訪時(shí)評(píng)論”這項(xiàng)成就標(biāo)志著邁向量子互聯(lián)網(wǎng)的重要一步…當(dāng)你在開車過程中想要保持安全的量子通信，這些無人機(jī)可以在你車后飛來飛去(以保持連接)。

  英國的《新科學(xué)家》雜志則評(píng)價(jià)，在這個(gè)工作中，人們首次實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)節(jié)點(diǎn)間自由空間量子鏈路的搭建，作者援引倫敦帝國理工學(xué)院Myungshik Kim的評(píng)論指出：“將如此復(fù)雜的光學(xué)器件集成進(jìn)移動(dòng)的無人機(jī)，在移動(dòng)過程中實(shí)現(xiàn)量子連接，這無疑增加了實(shí)現(xiàn)難度，這是一項(xiàng)重大的技術(shù)進(jìn)步。”

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

  在這項(xiàng)工作完成涉及南京大學(xué)一個(gè)跨學(xué)科的團(tuán)隊(duì)，許多老師和研究生都參與其中做出了重要貢獻(xiàn)。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(dá)、龔彥曉、祝世寧為共同通訊作者。該項(xiàng)研究得到了南京大學(xué)卓越計(jì)劃、江蘇省科技廳前沿引領(lǐng)項(xiàng)目、科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持，南智先進(jìn)光電集成技術(shù)研究院提供了重要的技術(shù)支撐。