南京大学团队用无人机组“搭桥” 成功构建移动量子网络

中新网南京1月20日电 (佘静 申冉)高速行驶的车辆背后随时有无人机提供安全的量子网络信号。这一幕可能出现在科幻片中的画面，或在不久的将来变为现实。

近日，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、龚彦晓教授课题组在量子信息研究中的最新进展以“ Optical-relayed entanglement distribution using drones as mobile nodes”(基于无人机移动节点的光学中继纠缠分发)为题发表在物理学旗舰刊物《物理评论快报》(Physical Review Letters,126,020503(2021))上，该研究以无人机为移动光学中继进一步助推了移动量子网络构建。

信息系统(无论是经典的还是量子的)要构造网络必须要依靠中继，对中继的要求，一是要损耗小，二是要保真度高。

此次由南京大学完成的无人机纠缠光子分发实验光路中就首次使用了光学中继以减少损耗，并且创新地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，尤如百步穿杨，可以想象实验的难度之大。

通过光学中继，纠缠光子分发的距离突破了小型光学系统的衍射限制，在分发距离1千米的情况下测得了2.59±0.11的CHSHS值，证明了这种光学中继高度保持了光子对的纠缠特性，是一种有效的量子链路。

此次进展使得整个研究在构建无人机移动量子信息网络的方向上又向前跨出了关键一步。

美国《物理》(Physics)评论文章介绍：“该研究团队通过采用光学中继的方法解决衍射损耗这一自由空间光量子传输的核心问题，增加第二架无人机作为第一架无人机和地面站之间的光学中继，通过中继过程重塑了光子的波前，从而使光子能以更高效率进入地面站上的望远镜。”

文章还认为“卫星价格昂贵而且难以适应地面上不断变化的需求”，“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，在量子网络中链接多个用户”，“该工作可以催生基于无人机的量子网络，在城市和农村地区上空实现可重构定位部署。”

英国的《新科学家》杂志对该项研究也持高度关注，认为在这个工作中，人们首次实现了移动节点间自由空间量子链路的搭建，并援引伦敦帝国理工学院Myungshik Kim的评论指出：“将如此复杂的光学器件集成进移动的无人机，在移动过程中实现量子连接，这无疑增加了实现难度，这是一项重大的技术进步。”

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。

正如英国布里斯托尔大学Siddarth Joshi在接受《新科学家》杂志采访时设想的，“这项成就标志着人类迈向量子互联网的重要一步……当你在开车过程中想要保持安全的量子通信，这些无人机可以在你车后飞来飞去(以保持连接)。”

谢臻达期待，未来“通过更高巡航高度的无人机来实现距离300多公里的单链路连接，而不受大气污染和天气环境引起的光束畸变影响；而更廉价的小型无人机可以实现局域连接，甚至覆盖行驶中的车辆。所有这些设备都可以链接到卫星和光纤系统实现全球(量子)组网。”

南京大学跨学科团队的博士生刘华颖、田晓慧、范鹏飞，硕士生顾昌晟为论文的共同第一作者，谢臻达、龚彦晓、祝世宁为共同通讯作者。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。(完)