新突破!中国学者首次实现基于无人机的量子纠缠分发

作者: 金凤 2020-01-21 19:10:55

一架重约 35 千克的八轴旋翼飞行器缓缓升空,当升至几十米的高度时,分别向 100 米外的地面A、B两点射出一对纠缠光子,两个光子在历经大气湍流、雨水、阳光等干扰后,仍能几乎完好地抵达地面。

南京大学祝世宁、谢臻达、龚彦晓团队历时两年多研发的这套系统,在国际上首次实现基于无人机的量子纠缠分发,填补了该领域的空白。

1 月 20 日,科技日报记者从南京大学获悉,著名期刊《国家科学评论》(National Science Review)近日发表了这一研究成果。有评论指出,量子通信的“下一个最佳选择可能是相对便宜的无人机”。

量子纠缠是一种奇异的量子力学现象,处于纠缠态的两个光子不论相距多远都存在一种关联,其中一个量子状态发生改变,另一个的状态会瞬时发生相应改变。如果能把制备好的两个纠缠光子分别发送到两个点,通过观察两个点的投影测量结果,就可以验证量子纠缠是否存在。

这种“心灵感应”似的神秘关联,用于量子通信领域,对于监测信息传输的安全性极具意义,被誉为是未来通信的“机密武器”。

此前,量子纠缠分发主要有两种,一种需依托光纤链路,一种是在卫星和地面之间的自由空间分发传输。

光纤传输需要铺设光纤、借助光纤网络,远距离传输会有信息损耗;

卫星传输,受轨道限制,同时还要参考一定的时间窗口,通信量受约束。

而用无人机进行量子纠缠分发,具有机动快速、按需组网、易于扩展、成本低廉的特点。”中国科学院院士、南京大学教授祝世宁说。

从 2017 开始,研究团队便辗转南京、石家庄、兰州做实验,最终,他们实现了基于无人机的量子纠缠分发。这架八轴旋翼无人机,可以搭载 10 千克的量子通信系统,在空中分别向 100 米外的A、B两个便携式地面站发送光子,测量结果显示,A、B两点光子纠缠态的贝尔不等式S值达到 2.49,量子纠缠分发获得成功。


科研团队在进行实验。

“我们的实验结果证明传输链路稳定,损耗比较低。”团队研究成员之一、南京大学教授谢臻达说,量子纠缠分发是量子通信的重要手段之一,实验的成功,预示着利用无人机构建量子通信网络是有可能的。

实验的成功,来自无人机上搭载的诸多系统,例如高性能集成化量子纠缠光源、光信号收发一体系统等。谢臻达介绍,无人机搭载纠缠光源净重 468 克,比传统技术的纠缠光源轻一个量级以上。而轻量级的纠缠光源对于无人机等更小的传输平台来说,负担更轻,应用场景更广,但性能并不受影响。该光源每秒可产生 240 万对纠缠光子,这意味着产生效率很高,有利于提升量子纠缠分发的速率。


无人机的夜间实验。

在白天,来自太阳的干扰很多,单光子的光很弱,不容易被发现,量子纠缠态很容易被淹没在噪声中。

遇到雨天,设备和传输链路也有可能受影响,为此,研究团队设计了一种反应快速的轻量化收发跟踪系统。

“我们把地面接收系统的光纤孔径设计的很小,只有几微米,接收范围越小,抗干扰性就越强,将光尽量精准地收集到接收系统里,链路损耗就会小。”谢臻达说,根据实验结果,单光子测量可以在白天、雨天等多种条件下正常进行,这意味着基于无人机的量子纠缠分发,有可能让量子通信网络随时随地按需覆盖。

量子 芯片 网络
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