量子信息研究新突破：基于無人機移動平臺的量子糾纏分發(fā)

不借助光纖網絡、不需要衛(wèi)星，利用無人機，就可以實現量子糾纏的分發(fā)，不受地域、天氣限制，迅速建立網絡，實現更高質量的通信。今天，記者從南京大學獲悉，該校祝世寧院士團隊謝臻達、龔彥曉等在量子信息研究中取得突破，首次實現了基于無人機移動平臺的量子糾纏分發(fā)，該成果近日以 “Drone-based entanglement distribution towards mobile quantum networks”為題，在線發(fā)表于《國家科學評論》（National Science Review, NSR）。

量子糾纏是一種發(fā)生于量子系統的獨特現象，是指當量子力學中的幾個粒子在彼此相互作用后，各個粒子所擁有的特性已綜合成為整體性質，無法單獨描述。量子糾纏分發(fā)是把制備好的兩個糾纏量子分別發(fā)送到相距很遠的兩個點，通過觀察兩個點的測量結果來檢驗量子糾纏的存在，是量子通信領域的重要研究內容，可以有效證明量子通信鏈路（從一個結點到相鄰結點的一段物理線路，中間沒有任何其他的交換結點）的可靠性。

“此前，量子糾纏分發(fā)已在光纖鏈路以及衛(wèi)星和地面之間的自由空間鏈路中獲得成功。但這兩種鏈路的靈活性都受到一定限制?！敝x臻達解釋，光纖鏈路可以利用現有光纖網絡，但遠距離傳輸受到光纖固有傳輸損耗的限制，且鏈路范圍受限于光纖網絡的鋪建；衛(wèi)星雖然能夠實現遠距離傳輸，但受到固定軌道約束，單顆衛(wèi)星對于固定的地面基站只能在有限時間內建立連接，通信量受到限制，而由于量子通信點對點的特性，要完成全時段和全球覆蓋，需要的衛(wèi)星資源十分龐大。

該團隊提出以無人機等移動平臺作為量子網絡的基本節(jié)點，構建移動量子通信網絡的設想，成功完成了第一個基于無人機的量子糾纏分發(fā)實驗，并演示了其在白天、雨天等多氣象條件下工作的能力，為移動量子通信網絡的構建和發(fā)展提出了一種新的方案。

謝臻達介紹，該實驗的成功建立在多項技術創(chuàng)新的基礎上?！耙皇歉咝阅芗苫孔蛹m纏光源。該光源重量僅468克，比采用傳統技術的糾纏光源輕一個量級以上。 二是可擴展的光信號收發(fā)一體系統。該系統重量僅3.7千克，首次實現了糾纏光源和自由空間單光子收發(fā)系統等關鍵量子通信器件的高度集成化、輕量化，實現了光鏈路可靠連接，使無人機搭載量子通信節(jié)點成為可能。該系統可以有效濾除太陽光對于單光子傳輸的干擾，使單光子接收不再局限在夜晚，而是可以在白天、雨天等多氣象條件下正常工作。三是質量輕、載荷大、續(xù)航時間長的純電動無人機移動平臺。無人機平臺起飛重量僅35千克，可以在搭載10千克載荷情況下實現40分鐘續(xù)航，可適應量子測量的苛刻要求。四是便攜式地面站系統。該配套系統以鋰電池組直流供電，重量小于8千克，折疊可放入挎包，隨身攜帶開機即用。”

據悉，該研究經歷兩年多時間，團隊成員轉戰(zhàn)南京、石家莊、蘭州多地進行實驗，對量子信息技術的實用化意義重大?！斑@種機載移動量子通信平臺也可以通過高空無人機、高空氣球等多種載體構建長距離鏈路，并與現有的光纖和衛(wèi)星量子網絡連接，在廣闊天空中填補天地之間的空缺，解決不同層次的量子網絡全天候、廣覆蓋的問題。”他說。

據悉，對于這一研究成果，科學美國人（Scientific American）網站給與高度評價，認為量子通信的“下一個最佳選擇可能是相對便宜的無人機”
編輯：hfy