量子糾纏是一種奇異的量子力學(xué)現(xiàn)象，處于糾纏態(tài)的兩個光子不論相距多遠都存在一種關(guān)聯(lián)，其中一個量子狀態(tài)發(fā)生改變，另一個的狀態(tài)會瞬時發(fā)生改變。把兩個糾纏光子分別發(fā)送到兩個點，通過觀察兩個點的投影測量結(jié)果，就可以驗證量子糾纏是否存在。這一特性如果應(yīng)用在通信領(lǐng)域，可以觀察兩個點的光子的糾纏態(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)牧孔有畔⒁材芫珳拾踩诌_。
基于無人機的光學(xué)中繼量子糾纏分發(fā)示意圖
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)物理國家重點實驗室謝臻達、龔彥曉教授課題組在一項實驗中，在兩架相距200米的重約35千克的無人機和地面之間構(gòu)建了一個小型的量子通信網(wǎng)絡(luò)，并向地面相距1公里的兩個望遠鏡，分別發(fā)送一個光子，最終測得了高保真度的具有糾纏特性的光子對。
這一成果近日發(fā)表于物理學(xué)旗艦刊物《物理評論快報》。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》等國際三大專業(yè)科學(xué)媒體對研究的重要意義進行評價。
用無人機做量子網(wǎng)絡(luò)中繼站，單模光纖接發(fā)信號降損
想組建信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，必須要依靠“中繼站”，這有點類似無線移動通信的基站。如果信息在歷經(jīng)中轉(zhuǎn)后依然能準確無誤的抵達目的地，就要求中繼站一要損耗小，二要保真度高。
一年前，該團隊嘗試由一架無人機中在空中分別向兩個便攜式地面站發(fā)送光子，并首次成功實現(xiàn)基于無人機的糾纏光子分發(fā)。當(dāng)時，為了收集光子，每個地面站都配備了一個26毫米口徑的望遠鏡，以及一個單光子探測器。
然而，光通信形式的一個主要挑戰(zhàn)來自衍射。隨著單個光子的傳播，其波前會像手電筒的光束一樣擴散展開。
如果這種擴散使得波前大于望遠鏡的孔徑，那么光子被收集的機會就會減小。想實現(xiàn)糾纏光子更遠距離的傳輸，必須克服光的衍射帶來的損失，這就要構(gòu)建光的準直系統(tǒng)，中繼站便是關(guān)鍵。
在此次實驗中，研究團隊添加了第二架無人機，作為第一架無人機和地面站之間的中繼站。
“我們在一架無人機上搭載了一個糾纏光子源，并將其中一個光子發(fā)送到距離400米遠的地面站的望遠鏡上。再將第二個光子，通過單模光纖發(fā)送到第二架無人機上，第二架無人機上直徑4微米的單模光纖接收后，再將其發(fā)送到第二個地面站的望遠鏡上。第二架無人機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，光子到達另一個地面站望遠鏡上的機會變得更大了。”此次論文的通訊作者之一謝臻達教授告訴科技日報記者，這是他們在無人機糾纏光子分發(fā)實驗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)點放到了處于飛行狀態(tài)的小型無人機上，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，尤如百步穿楊。
值得欣喜的是，實驗成功了，“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值達到2.59±0.11的，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?！敝x臻達說。
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》評論，“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?！?/p>
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。英國布里斯托爾大學(xué)SiddarthJoshi在接受《新科學(xué)家》雜志采訪時評論，“這項成就標志著邁向量子互聯(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，這些無人機可以在你車后飛來飛去（以保持連接）。
美國《科學(xué)新聞》評論認為：“人們可能會通過無人機接入量子互聯(lián)網(wǎng)，將來無人機機群可以協(xié)同工作，將糾纏光子發(fā)送到各個位置的接收者?！?/p>
謝臻達表示，今后可以在多臺無人機之間通過中繼交換量子信息，將信息傳得更遠，散得更廣?！盁o人機之間的量子傳輸不受固定的光纖傳輸?shù)挠绊?，沒有介質(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，臨時組網(wǎng)、多次組網(wǎng)?！?/p>
展望未來，謝臻達介紹，利用小型無人機可以實現(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)實現(xiàn)全球量子組網(wǎng)?！拔磥砦覀円矔L試用更高巡航高度的移動平臺，例如固定翼飛機或者氣球，來實現(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)建廣域移動量子鏈路?！?/p>