ICC訊 量子糾纏是一種奇異的量子力學(xué)現(xiàn)象,處于糾纏態(tài)的兩個(gè)光子不論相距多遠(yuǎn)都存在一種關(guān)聯(lián),其中一個(gè)量子狀態(tài)發(fā)生改變,另一個(gè)的狀態(tài)會(huì)瞬時(shí)發(fā)生改變。把兩個(gè)糾纏光子分別發(fā)送到兩個(gè)點(diǎn),通過觀察兩個(gè)點(diǎn)的投影測量結(jié)果,就可以驗(yàn)證量子糾纏是否存在。這一特性如果應(yīng)用在通信領(lǐng)域,可以觀察兩個(gè)點(diǎn)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(huì)發(fā)生衍射,造成信息丟失或帶來噪聲,使用光學(xué)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?shù)?A href="http://m.huaquanjd.cn/site/CN/Search.aspx?page=1&keywords=%e9%87%8f%e5%ad%90&column_id=ALL&station=%E5%85%A8%E9%83%A8" target="_blank">量子信息也能精準(zhǔn)安全抵達(dá)。
前不久,中國科學(xué)院院士祝世寧領(lǐng)銜的南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室謝臻達(dá)、龔彥曉教授課題組在一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中,在兩架相距200米的重約35千克的無人機(jī)和地面之間構(gòu)建了一個(gè)小型的量子通信網(wǎng)絡(luò),并向地面相距1公里的兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡,分別發(fā)送一個(gè)光子,最終測得了高保真度的具有糾纏特性的光子對(duì)。
這一成果近日發(fā)表于物理學(xué)旗艦刊物《物理評(píng)論快報(bào)》。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》等國際三大專業(yè)科學(xué)媒體對(duì)研究的重要意義進(jìn)行評(píng)價(jià)。
用無人機(jī)做量子網(wǎng)絡(luò)中繼站,單模光纖接發(fā)信號(hào)降損
想組建信息傳輸網(wǎng)絡(luò),必須要依靠“中繼站”,這有點(diǎn)類似無線移動(dòng)通信的基站。如果信息在歷經(jīng)中轉(zhuǎn)后依然能準(zhǔn)確無誤的抵達(dá)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(tuán)隊(duì)嘗試由一架無人機(jī)中在空中分別向兩個(gè)便攜式地面站發(fā)送光子,并首次成功實(shí)現(xiàn)基于無人機(jī)的糾纏光子分發(fā)。當(dāng)時(shí),為了收集光子,每個(gè)地面站都配備了一個(gè)26毫米口徑的望遠(yuǎn)鏡,以及一個(gè)單光子探測器。
然而,光通信形式的一個(gè)主要挑戰(zhàn)來自衍射。隨著單個(gè)光子的傳播,其波前會(huì)像手電筒的光束一樣擴(kuò)散展開。
如果這種擴(kuò)散使得波前大于望遠(yuǎn)鏡的孔徑,那么光子被收集的機(jī)會(huì)就會(huì)減小。想實(shí)現(xiàn)糾纏光子更遠(yuǎn)距離的傳輸,必須克服光的衍射帶來的損失,這就要構(gòu)建光的準(zhǔn)直系統(tǒng),中繼站便是關(guān)鍵。
在此次實(shí)驗(yàn)中,研究團(tuán)隊(duì)添加了第二架無人機(jī),作為第一架無人機(jī)和地面站之間的中繼站。
“我們在一架無人機(jī)上搭載了一個(gè)糾纏光子源,并將其中一個(gè)光子發(fā)送到距離400米遠(yuǎn)的地面站的望遠(yuǎn)鏡上。再將第二個(gè)光子,通過單模光纖發(fā)送到第二架無人機(jī)上,第二架無人機(jī)上直徑4微米的單模光纖接收后,再將其發(fā)送到第二個(gè)地面站的望遠(yuǎn)鏡上。第二架無人機(jī)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(dá)另一個(gè)地面站望遠(yuǎn)鏡上的機(jī)會(huì)變得更大了。”此次論文的通訊作者之一謝臻達(dá)教授告訴科技日報(bào)記者,這是他們在無人機(jī)糾纏光子分發(fā)實(shí)驗(yàn)光路中首次使用光學(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,尤如百步穿楊。
值得欣喜的是,實(shí)驗(yàn)成功了,“測量發(fā)現(xiàn),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,測得貝爾不等式S值達(dá)到2.59±0.11的,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?!敝x臻達(dá)說。
組網(wǎng)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(xué)術(shù)期刊的關(guān)注。美國《物理》評(píng)論,“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。”
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。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)?!?
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。”
謝臻達(dá)表示,今后可以在多臺(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?!盁o人機(jī)之間的量子傳輸不受固定的光纖傳輸?shù)挠绊懀瑳]有介質(zhì)損耗,而且可以根據(jù)需要,靈活組網(wǎng),例如在應(yīng)急、急救場景的量子通信中,臨時(shí)組網(wǎng)、多次組網(wǎng)?!?
展望未來,謝臻達(dá)介紹,利用小型無人機(jī)可以實(shí)現(xiàn)局域組網(wǎng),甚至覆蓋行駛中的車輛,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)?!拔磥砦覀円矔?huì)嘗試用更高巡航高度的移動(dòng)平臺(tái),例如固定翼飛機(jī)或者氣球,來實(shí)現(xiàn)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(gòu)建廣域移動(dòng)量子鏈路?!?