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基于无人机的光学中继量子纠缠分发,实现组网更加灵活

2021年01月21日 17:22 次阅读

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改变。把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。这一特性如果应用在通信领域,可以观察两个点的光子的纠缠态是否丢失,来判断信息是否被窃听。

而自由空间的光传输会发生衍射,造成信息丢失或带来噪声,使用光学中继站,可以让信息在传输中更大程度地保真,让长距离传输的量子信息也能精准安全抵达。

基于无人机的光学中继量子纠缠分发示意图

前不久,中国科学院院士祝世宁领衔的南京大学固体微结构物理国家重点实验室谢臻达、龚彦晓教授课题组在一项实验中,在两架相距200米的重约35千克的无人机和地面之间构建了一个小型的量子通信网络,并向地面相距1公里的两个望远镜,分别发送一个光子,最终测得了高保真度的具有纠缠特性的光子对。

这一成果近日发表于物理学旗舰刊物《物理评论快报》。美国物理学会的《物理》、美国《科学新闻》和英国《新科学家》等国际三大专业科学媒体对研究的重要意义进行评价。

用无人机做量子网络中继站,单模光纤接发信号降损

想组建信息传输网络,必须要依靠“中继站”,这有点类似无线移动通信的基站。如果信息在历经中转后依然能准确无误的抵达目的地,就要求中继站一要损耗小,二要保真度高。

一年前,该团队尝试由一架无人机中在空中分别向两个便携式地面站发送光子,并首次成功实现基于无人机的纠缠光子分发。当时,为了收集光子,每个地面站都配备了一个26毫米口径的望远镜,以及一个单光子探测器。

然而,光通信形式的一个主要挑战来自衍射。随着单个光子的传播,其波前会像手电筒的光束一样扩散展开。

如果这种扩散使得波前大于望远镜的孔径,那么光子被收集的机会就会减小。想实现纠缠光子更远距离的传输,必须克服光的衍射带来的损失,这就要构建光的准直系统,中继站便是关键。

在此次实验中,研究团队添加了第二架无人机,作为第一架无人机和地面站之间的中继站。

“我们在一架无人机上搭载了一个纠缠光子源,并将其中一个光子发送到距离400米远的地面站的望远镜上。再将第二个光子,通过单模光纤发送到第二架无人机上,第二架无人机上直径4微米的单模光纤接收后,再将其发送到第二个地面站的望远镜上。第二架无人机接收光子的过程类似于聚焦透镜,重塑了光子的波前。这样一来,光子到达另一个地面站望远镜上的机会变得更大了。”此次论文的通讯作者之一谢臻达教授告诉科技日报记者,这是他们在无人机纠缠光子分发实验光路中首次使用光学中继以减少损耗,并且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。

值得欣喜的是,实验成功了,“测量发现,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,测得贝尔不等式S值达到2.59±0.11的,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。”谢臻达说。

组网更加灵活,未来将尝试300公里高空量子传输

这一成果,得到多家国际知名学术期刊的关注。美国《物理》评论,“卫星价格昂贵而且难以适应地面上不断变化的需求”,而“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》杂志则评价,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。英国布里斯托尔大学SiddarthJoshi在接受《新科学家》杂志采访时评论,“这项成就标志着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)。

美国《科学新闻》评论认为:“人们可能会通过无人机接入量子互联网,将来无人机机群可以协同工作,将纠缠光子发送到各个位置的接收者。”

谢臻达表示,今后可以在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。“无人机之间的量子传输不受固定的光纤传输的影响,没有介质损耗,而且可以根据需要,灵活组网,例如在应急、急救场景的量子通信中,临时组网、多次组网。”

展望未来,谢臻达介绍,利用小型无人机可以实现局域组网,甚至覆盖行驶中的车辆,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。“未来我们也会尝试用更高巡航高度的移动平台,例如固定翼飞机或者气球,来实现300多公里的单链路连接,这样可以不受大气污染和天气环境引起的光束畸变影响,构建广域移动量子链路。”

责任编辑:gt

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