一架重約 35 千克的八軸旋翼飛行器緩緩升空，當升至幾十米的高度時，分別向 100 米外的地面A、B兩點射出一對糾纏光子，兩個光子在歷經(jīng)大氣湍流、雨水、陽光等干擾后，仍能幾乎完好地抵達地面。

　　南京大學(xué)祝世寧、謝臻達、龔彥曉團隊歷時兩年多研發(fā)的這套系統(tǒng)，在國際上首次實現(xiàn)基于無人機的量子糾纏分發(fā)，填補了該領(lǐng)域的空白。

　　1 月 20 日，科技日報記者從南京大學(xué)獲悉，著名期刊《國家科學(xué)評論》(National Science Review)近日發(fā)表了這一研究成果。有評論指出，量子通信的“下一個最佳選擇可能是相對便宜的無人機”。

　　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)生相應(yīng)改變。如果能把制備好的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。

　　這種“心靈感應(yīng)”似的神秘關(guān)聯(lián)，用于量子通信領(lǐng)域，對于監(jiān)測信息傳輸?shù)陌踩詷O具意義，被譽為是未來通信的“機密武器”。

　　此前，量子糾纏分發(fā)主要有兩種，一種需依托光纖鏈路，一種是在衛(wèi)星和地面之間的自由空間分發(fā)傳輸。

　　“光纖傳輸需要鋪設(shè)光纖、借助光纖網(wǎng)絡(luò)，遠距離傳輸會有信息損耗;

　　而衛(wèi)星傳輸，受軌道限制，同時還要參考一定的時間窗口，通信量受約束。

　　而用無人機進行量子糾纏分發(fā)，具有機動快速、按需組網(wǎng)、易于擴展、成本低廉的特點。”中國科學(xué)院院士、南京大學(xué)教授祝世寧說。

　　從 2017 開始，研究團隊便輾轉(zhuǎn)南京、石家莊、蘭州做實驗，最終，他們實現(xiàn)了基于無人機的量子糾纏分發(fā)。這架八軸旋翼無人機，可以搭載 10 千克的量子通信系統(tǒng)，在空中分別向 100 米外的A、B兩個便攜式地面站發(fā)送光子，測量結(jié)果顯示，A、B兩點光子糾纏態(tài)的貝爾不等式S值達到 2.49，量子糾纏分發(fā)獲得成功。

科研團隊在進行實驗。

　　“我們的實驗結(jié)果證明傳輸鏈路穩(wěn)定，損耗比較低。”團隊研究成員之一、南京大學(xué)教授謝臻達說，量子糾纏分發(fā)是量子通信的重要手段之一，實驗的成功，預(yù)示著利用無人機構(gòu)建量子通信網(wǎng)絡(luò)是有可能的。

　　實驗的成功，來自無人機上搭載的諸多系統(tǒng)，例如高性能集成化量子糾纏光源、光信號收發(fā)一體系統(tǒng)等。謝臻達介紹，無人機搭載糾纏光源凈重 468 克，比傳統(tǒng)技術(shù)的糾纏光源輕一個量級以上。而輕量級的糾纏光源對于無人機等更小的傳輸平臺來說，負擔更輕，應(yīng)用場景更廣，但性能并不受影響。該光源每秒可產(chǎn)生 240 萬對糾纏光子，這意味著產(chǎn)生效率很高，有利于提升量子糾纏分發(fā)的速率。

無人機的夜間實驗。

　　在白天，來自太陽的干擾很多，單光子的光很弱，不容易被發(fā)現(xiàn)，量子糾纏態(tài)很容易被淹沒在噪聲中。

　　遇到雨天，設(shè)備和傳輸鏈路也有可能受影響，為此，研究團隊設(shè)計了一種反應(yīng)快速的輕量化收發(fā)跟蹤系統(tǒng)。

　　“我們把地面接收系統(tǒng)的光纖孔徑設(shè)計的很小，只有幾微米，接收范圍越小，抗干擾性就越強，將光盡量精準地收集到接收系統(tǒng)里，鏈路損耗就會小。”謝臻達說，根據(jù)實驗結(jié)果，單光子測量可以在白天、雨天等多種條件下正常進行，這意味著基于無人機的量子糾纏分發(fā)，有可能讓量子通信網(wǎng)絡(luò)隨時隨地按需覆蓋。
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