无线电波中,充斥着来自于手机、无线电台和Wi-Fi集线器的“经典”信息。但总有一天,这些电波会携带量子加密信息或成为量子计算机的数据输入。

目前,一项新的实验利用一对处于飞行状态的无人机,向相距1公里的两个地面站,分别传输了量子信息。此次的演示可能会催生出基于无人机的量子网络,该网络可以很容易地定位在城市或农村地区的上空。

这次由南京大学固体微结构物理国家重点实验室祝世宁院士团队谢臻达教授、龚彦晓教授课题组,完成的无人机纠缠光子分发实验光路中,首次使用了光学中继以减少损耗,并且将光学中继的节点放到了处于飞行状态的小型无人机上,在数千克的载荷限制内实现单光子的高精度跟瞄接收和重新发射。

基于无人机构建的量子网络在中国首测-量子客
图1|基于无人机的新量子通信系统(来源:南京大学)

研究成果以 “Optical-relayed entanglement distribution using drones as mobile nodes”(具有无人机移动节点光学中继的纠缠分发)为题,发表在《物理评论快报》上[3]。

 

1. 量子通信

量子通信有望实现完全安全的信息共享。例如,两个用户可以使用“纠缠”的光子交换加密的信息。就每个光子对而言,一个用户收到一个光子,而用户可以通过光子之间纠缠态是否丢失,来判断信息是否被窃听。

而发送此类量子加密信息最常见的方法就是通过光纤,但在光纤中,大部分光子在到达目的地之前会发生散射。

如果通过大气层来传输量子信息,可以保证大多数光子的存活率。然而,卫星造价昂贵,难以适应地面上不断变化的需求。

就此看来,携带光学设备的小型无人机可以提供一种灵活的解决方案,可以将量子网络中的多个用户连接起来。

南京大学的谢臻达教授表示,无人机可以在任何时间任意地点进行移动量子连接。与固定塔台不同,无人机还可以四处移动,免受污染及大雾的影响。

 

2. 延续成就

世界各地的学者也一直在研究基于无人机的通信系统。去年年初,谢臻达教授等研究人员组成的团队,实现了单架无人机与两个地面站之间的量子连接。

该无人机产生成对的其偏振方向为纠缠态的红外光子,通过使用高速跟踪系统,无人机将其中一个光子引向标记为“Alice”的地面站,另一个光子引向标记为“Bob”的地面站。

而为了收集光子,每个站都配备了一个26毫米口径的望远镜,以及一个单光子探测器。

然而,这种光通信形式的一个主要挑战来自衍射。随着单个光子的传播,其波前会像手电筒的光束一样扩散展开。

如果这种扩散使得波前大于望远镜的孔径,那么光子几乎没有被收集的机会。实验主要是在200米以内的低空空域进行,以确保衍射效应可以忽略不计。

基于无人机构建的量子网络在中国首测-量子客
图2|单架无人机发射的光束(来源:南京大学)

为了增加站距,团队现在添加了第二架无人机,作为第一架无人机和“Bob”之间的中继站

第二架无人机收集第一架无人机发出的光子,并通过光纤对其进行准直。这个过程类似于聚焦透镜,重塑了光子的波前。这样一来,光子到达“Bob”望远镜上的机会变得更大了

此次演示中,研究团队将两架无人机放在“Alice”和“Bob”之间,两架无人机之间的距离为200米,无人机到地面站之间的距离为400米,从而使站与站之间的距离为1公里。

“Alice”探测器记录了约25%从第一架无人机发出的光子的方向,而“Bob”探测器则记录了向其发送的4%的光子。

通过比较从“Alice”和“Bob”接收到的光子偏振,团队进行了贝尔不等式(Bell's inequality)的测试。结果证明,光子仍然处于纠缠态,因此量子信息也得以幸存。

研究人员正计划使用多个无人机来扩大网络规模,而这些无人机可以提供跨城市的量子链接。

 

3. 推波助澜

巴黎Veriqloud公司的量子工程师Georg Harder,有在大型光学平台上构建量子纠缠系统的经验。他表示,听闻中国学者成功地把这一切都装进了一架无人机时,十分欣喜。

他补充说,这次的演示为量子通信开辟了新道路。目前为止,量子网络的构建,要么需要专用光纤网络,要么需要昂贵的卫星链路。无人机的到来,为现有的系统推波助澜。

奥地利科学院的量子信息专家Martin Bohmann表示,无人机系统的一个优点在于,它允许在没有直接接触的地点之间进行自由空间通信。

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图3|多无人机系统创建量子网络(来源:南京大学)

Bohmann认为,需要降低光子的传输损耗,使得多无人机系统与其他量子网络技术展开竞争。

展望未来,这种光学中继可以用在以无人机构建的量子信息网络中,多台无人机之间通过中继交换量子信息,将信息传得更远、散得更广,并且能实现即搭即用的多节点移动量子网络,机动灵活。

这并非代表参与此项演示的学者发明新的量子无人机,这演示意味着研究者 了无人机辅助通完成了通信工作。

此次论文的共同第一作者包括博士生刘华颖、田晓慧、范鹏飞,硕士生顾昌晟,共同通讯作者为谢臻达、龚彦晓、祝世宁。

该项研究得到了南京大学卓越计划、江苏省科技厅前沿引领项目、科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持,南智先进光电集成技术研究院提供了重要的技术支撑。

 

参考链接:

[1]https://www.nju.edu.cn/c3/f1/c3674a508913/page.htm

[2]https://physics.aps.org/articles/v14/7

[3]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.020503

 

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|编  辑:王嘉雯      |审  校:丁艳