量子通讯获重大进展:无人机组网成为可能,南大科研团队立功

量子计算、通讯、加密——这些技术名词听起来还很高大上,离进入平常百姓的生活还很远。 不过,借助无人机的力量,最近量子通讯移动组网方面取得一次关键进展。而获得这个进展的主角是一所国内大学科研团队——南京大学团队。该团队首次使用光学中继,减少信号损耗,还将中继节点放到了载荷只有几千克的小型无人机上。这一进展,有望在未来使得无人机组网量子通讯成为可能。包括美国物理学会和中国《国家科学评论》(National Science Review) 等在内的国际权威机构和期刊,近日刊登了南京大学固体微结构物理国家重点实验室的论文 Optical-Relayed Entanglement Distribution Using Drones as Mobile Nodes.论文详细介绍了该团队最近的一项实验,首次将光学中继的节点放到了出于飞行状态的小型无人机上,在分发距离1公里的情况下,仍然高度保持了光子对的纠缠特性,证明了量子链路的有效性。常规的电子通讯采用电或波信号,通过光纤或空气传播,而量子通讯作为目前最前沿的通讯技术方向,其工作原理是量子的纠缠效应,也即两个粒子在彼此相互作用后成为纠缠粒子,分别放在通信的双方,对其中一个粒子进行测量便可立即得知另一个粒子的状态。因为这种效应,量子通讯几乎无法被截取和窃听,可以被用于加密通讯。此前,自由空间内的光量子通讯,已经在距离超过1000千米的卫星和地面站之间成功实现。不过卫星的造价和运维昂贵,难以适应地面上随时发生、不断变化的需求,通信量较低,如果要实现更大范围更长时间的覆盖,需要全球卫星组网。而在固网量子通讯方面,光纤可以用于远距离传输,但链路范围受限于光纤网络基础设施,并且光纤也有传输损耗,同样需要中继点。而南大团队的这项研究证明了,采用相对更为廉价的小型无人机等设备,完全可以在相对更近的距离内组建量子通讯网络,并且由于无人机的可移动性,组网可以更加灵活,网络的可用性也比卫星量子通讯更高(卫星通讯存在窗口限制)。南大学生刘华颖、田晓慧、范鹏飞、顾昌晟等人为本论文的共同第一作者,固体微结构物理国家重点实验室谢臻达、龚彦晓、祝世宁教授等人为共同通讯作者。在去年年初的前序实验中,团队已经证明了无人机网络在雨天等多种气象条件下工作的能力。结合该团队在量子纠缠光源制备技术突破的基础上,本次研究又实现了多项技术创新。谢臻达教授透露,这次实验采用的量子纠缠光源重量只有468克,加上光信号收发一体系统,重量仅3.7千克,最终,单架无人机的起飞重量只有35千克左右。这一实验,在自由空间光量子通讯领域内,首次实现关键器件的高度集成化、轻量化,并且实现了光链路可靠连接。简单来说,在无人机A上,量子纠缠分发系统采用水晶将一枚光子分裂成一对纠缠的光子,其中一枚发送给距离400米的地面站1,另一枚通过距离200米的中继无人机B,发送给和B距离400米的地面站2。整个通信网络的横跨长度为1千米。为了解决自由空间光量子通讯常见的光衍射导致的损失,团队设计了一套光的准直系统,在无人机B上重塑接收到光子的波前,使得光子能以更高效率被中继,让地面站更容易光测到。团队进行测试后发现,两个地面站收到的光子能够保持纠缠特性(CHSH S值为2.59±0.11),证明了整个系统虽然相对低成本,但在小巧、灵活的基础上,仍然能够达成量子通讯的基准目标。谢臻达表示,希望未来能够通过高空无人机、气球等更多种类的平台,构建更长距离(300公里)的通讯链路。除了拉长通讯距离之外,这样做还可以改善自由空间光量子通讯在不同天气和污染情况下的通讯质量。前面提到,当下的量子通讯要么在纯地面(光纤),要么在地面-太空(卫星)完成。而南大团队的这项研究,获得了不少国际上的量子通讯专家的赞赏。大多数人都认为这项研究填补了两者之间的空白,让更大范围的量子通讯组网成为可能。想象在未来,那些有量子通讯需求的用户,不再需要等待卫星通讯窗口,或者必须要前往特定的地面光纤通讯站——只用无人机,即可随时随地完成组网,实现通讯。届时的量子通讯网络,链接结构可能是这样的:用户端设备——布满低空的小型无人机——高空无人机和气球——量子通讯卫星+地面光纤系统,最终实现全球量子通讯组网。

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