光學(xué)中繼助推移動(dòng)量子網(wǎng)絡(luò )構建 量子無(wú)人機組正起飛

  來(lái)自南京大學(xué)消息顯示，南京大學(xué)固體微結構物理國家重點(diǎn)實(shí)驗室祝世寧院士團隊在量子信息研究取得最新進(jìn)展，在無(wú)人機糾纏光子分發(fā)實(shí)驗光路中首次使用了光學(xué)中繼以減少損耗，并且將光學(xué)中繼的節點(diǎn)放到了處于飛行狀態(tài)的小型無(wú)人機上，在數千克的載荷限制內實(shí)現單光子的高精度跟瞄接收和重新發(fā)射。

  通過(guò)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(zhù)構建無(wú)人機移動(dòng)量子信息網(wǎng)絡(luò )的方向上又向前跨出了關(guān)鍵一步。

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

  此前，量子糾纏分發(fā)主要有兩種，一種需依托光纖鏈路;另一種是在衛星和地面之間的自由空間分發(fā)傳輸?！坝脽o(wú)人機進(jìn)行量子糾纏分發(fā)，具有機動(dòng)快速、按需組網(wǎng)、易于擴展、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(shuō)，從2017年開(kāi)始，研究團隊便輾轉南京、石家莊、蘭州做實(shí)驗，最終實(shí)現了基于無(wú)人機的量子糾纏分發(fā)。

  展望未來(lái)，這種光學(xué)中繼可以用在以無(wú)人機構建的量子信息網(wǎng)絡(luò )中，多臺無(wú)人機之間通過(guò)中繼交換量子信息，將信息傳得更遠，散得更廣，并且能實(shí)現即搭即用的多節點(diǎn)移動(dòng)量子網(wǎng)絡(luò )，機動(dòng)靈活。

  該成果于近日在國際知名學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報》上發(fā)表。國際三大專(zhuān)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(xiàn)的第一時(shí)間發(fā)表評論，對該項進(jìn)展進(jìn)行了報道，對其重要意義進(jìn)行了評價(jià)。

  美國《物理》評論指出：“世界上已有一些團隊正在研究無(wú)人機通信系統，而這個(gè)團隊去年就實(shí)現了單一無(wú)人機與兩個(gè)地面站之間的量子連接。但為了實(shí)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(lái)的損失，這就要構建光的準直系統?！?“該研究團隊通過(guò)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的核心問(wèn)題，采用了增加第二架無(wú)人機，作為第一架無(wú)人機和地面站之間的中繼，通過(guò)中繼過(guò)程重塑了光子的波前，從而使光子能以更高效率進(jìn)入地面站上的望遠鏡?！?“衛星價(jià)格昂貴而且難以適應地面上不斷變化的需求”，而“攜帶光學(xué)設備的小型無(wú)人機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(hù)”，“該工作可以催生基于無(wú)人機的量子網(wǎng)絡(luò )，在城市和農村地區上空實(shí)現可重構定位部署?！?

  美國《科學(xué)新聞》評論認為：“人們可能會(huì )通過(guò)無(wú)人機接入量子互聯(lián)網(wǎng)…將來(lái)無(wú)人機機群可以協(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(fǎng)時(shí)評論”這項成就標志著(zhù)邁向量子互聯(lián)網(wǎng)的重要一步…當你在開(kāi)車(chē)過(guò)程中想要保持安全的量子通信，這些無(wú)人機可以在你車(chē)后飛來(lái)飛去(以保持連接)。

  英國的《新科學(xué)家》雜志則評價(jià)，在這個(gè)工作中，人們首次實(shí)現了移動(dòng)節點(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的評論指出：“將如此復雜的光學(xué)器件集成進(jìn)移動(dòng)的無(wú)人機，在移動(dòng)過(guò)程中實(shí)現量子連接，這無(wú)疑增加了實(shí)現難度，這是一項重大的技術(shù)進(jìn)步?！?

  除此之外，論文通訊作者之一謝臻達表示，希望未來(lái)“通過(guò)更高巡航高度的無(wú)人機來(lái)實(shí)現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(wú)人機可以實(shí)現局域連接，甚至覆蓋行駛中的車(chē)輛。所有這些設備都可以鏈接到衛星和光纖系統實(shí)現全球(量子)組網(wǎng)。

  在這項工作完成涉及南京大學(xué)一個(gè)跨學(xué)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(xué)卓越計劃、江蘇省科技廳前沿引領(lǐng)項目、科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金等項目的支持，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。