光學(xué)中繼助推移動量子網(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)物理國家重點實驗室祝世寧院士團(tuán)隊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(jié)點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(gòu)建無人機(jī)移動量子信息網(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)隊曾歷時兩年多研發(fā)并于去年在國際上首次成功實現(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)評論》上發(fā)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(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)動快速、按需組網(wǎng)、易于擴(kuò)展、成本低廉的特點?！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)隊便輾轉(zhuǎn)南京、石家莊、蘭州做實驗，最終實現(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，并且能實現(xiàn)即搭即用的多節(jié)點移動量子網(wǎng)絡(luò)，機(jī)動靈活。

  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。國際三大專業(yè)科學(xué)媒體：美國物理學(xué)會的《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。

  美國《物理》評論指出：“世界上已有一些團(tuán)隊正在研究無人機(jī)通信系統(tǒng)，而這個團(tuán)隊去年就實現(xiàn)了單一無人機(jī)與兩個地面站之間的量子連接。但為了實現(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)上空實現(xiàn)可重構(gòu)定位部署。”

  美國《科學(xué)新聞》評論認(rèn)為：“人們可能會通過無人機(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》雜志采訪時評論”這項成就標(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》雜志則評價，在這個工作中，人們首次實現(xiàn)了移動節(jié)點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(fù)雜的光學(xué)器件集成進(jìn)移動的無人機(jī)，在移動過程中實現(xiàn)量子連接，這無疑增加了實現(xiàn)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(dá)表示，希望未來“通過更高巡航高度的無人機(jī)來實現(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;而更廉價的小型無人機(jī)可以實現(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)實現(xiàn)全球(量子)組網(wǎng)。

  在這項工作完成涉及南京大學(xué)一個跨學(xué)科的團(tuán)隊，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。