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两架量子无人机起飞,实现「移动量子组网」,南大这项突破获国际认可

本文作者:付静 2021-01-20 18:35
导语:在朝着构建无人机移动量子信息网络的方向上,南京大学跨出了关键一步。

说到无人机,很多人会想到绝美大片中的山川湖海。

两架量子无人机起飞,实现「移动量子组网」,南大这项突破获国际认可

疫情期间,不戴口罩出门唠嗑被劝退的大妈大爷。

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深圳经济特区建立 40 周年之际城市上空的精彩表演。

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其实,无人机还出现在众多我们不曾留意或涉足的场景,在快递运输、军事侦查、救灾、测绘、电力巡检等领域发挥效用。

就在最近,一组南京大学的科学家让我们发觉,无人机竟还能与「移动量子网络构建」有所关联——一个基于无人机的小型量子网络原型成功地将量子信号传递到了 1 公里外的自由空间。

“犹如百步穿杨”

2021 年 1 月 15 日,相关论文以 Optical-relayed entanglement distribution using drones as mobile nodes(具有无人机移动节点光学中继的纠缠分发)为题发表于物理学旗舰刊物《物理评论快报》(Physical Review Letters)。

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这一论文来自于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。

课题组在两架距离为 200 米的无人机和地面之间构建了一个小型量子通信网络。这两架无人机各重 35 公斤,一个用于分配纠缠光子,另一个用作中继节点。

下图所展现的便是基于移动无人机节点的量子网络和物理实现过程。

两架量子无人机起飞,实现「移动量子组网」,南大这项突破获国际认可

所谓“中继”,就是两个交换中心之间的一条传输通路(类似无线移动通信中的基站),这一概念最早由 19 世纪末的丹麦数学家 Erlang 提出。

实际上,课题组在节点之间使用中继收发器,是一种经济的解决方案,它可使每个链路的距离保持在瑞利距离(Rayleigh length,光学领域概念,指光束沿着其行进方向,从其腰部到其面积为腰部面积 2 倍时的截面的距离)内,从而使衍射损耗最小。

南京大学在新闻稿中提到:

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。这次的实验首次使用了光学中继,并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。

官方更是用了“百步穿杨”一词生动描述了这一过程。

纠缠的光子对

物理学中有一个重要概念——量子纠缠(quantum entanglement)。

量子纠缠是指:几个粒子彼此相互作用后,各自所拥有的特性已综合成为了它们整体的性质,无法单独描述。作为量子力学领域的基本现象之一,量子纠缠可被简单理解为两个粒子相互作用并瞬间共享其物理状态,即“一生俱生,一灭俱灭”。

当年,在众多物理学大佬出席的索尔维物理学会议上,以爱因斯坦为代表的量子力学怀疑者和以波尔为代表的量子力学阿本哈根学派进行了一场跨越数年的物理学领域巅峰对决,最终这场交锋能画上句号,也是因为量子纠缠。

两架量子无人机起飞,实现「移动量子组网」,南大这项突破获国际认可

【1927 年索尔维物理学会议期间的神仙大合照】

直到 2019 年 7 月,英国物理学家首次拍摄到量子纠缠的照片,捕获到这种难以捉摸现象的视觉证据。

两架量子无人机起飞,实现「移动量子组网」,南大这项突破获国际认可

可见,量子纠缠困惑了物理大佬们多年,至于我们普通人嘛,不要试着去理解,感受就好!

实验中,课题组所做的设计是,让两架无人机分别向地面两个相距 1 公里的地面站 Alice 和 Bob 发送光子。Alice 记录了无人机 1 向其发射的约 25% 的光子,Bob 则记录了向它发射的大约 4% 的光子。

两架量子无人机起飞,实现「移动量子组网」,南大这项突破获国际认可

随后,科学家们测得了高保真度的具有纠缠特性的光子对——光子对以 2.59±0.11 的 CHSH S 值实现了纠缠分布。

两架量子无人机起飞,实现「移动量子组网」,南大这项突破获国际认可

结果表明,南京大学这种基于无人机的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。

无人机,优势在哪?

针对上述研究,美国《物理》杂志(Physics)也在当天发布了一篇题为 Quantum Drones Take Flight(量子无人机起飞)的评论性文章。

两架量子无人机起飞,实现「移动量子组网」,南大这项突破获国际认可

文章提到了量子加密信息最常见的几种方式:

一是光纤——这种方式存在的问题是,很大一部分光子在到达目的地之前就会散射掉。

二是卫星。

其实我国在量子卫星方面已走在世界前列:2016 年 8 月 16 日凌晨 1 时 40 分,酒泉卫星发射中心,世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空,我国成为世界首个实现太空和地面之间量子通信的国家。

但在《物理》杂志看来:

卫星既昂贵又难以适应地面上不断变化的需求。

相比较而言,携带光学设备的小型无人机提供的解决方案则灵活得多。

论文通讯作者之一、南京大学电子科学与工程学院教授、博导谢臻达曾表示:

无人机可以不受时空限制进行移动量子连接。与固定发射塔不同,无人机还可四处移动,避开污染或雾霾。

两架量子无人机起飞,实现「移动量子组网」,南大这项突破获国际认可

首个无人机纠缠光子分发

雷锋网注意到,南京大学在官方新闻稿中表示,去年课题组就曾实现了世界首个基于单一无人机的纠缠光子分发,研究成果发表于中国出版的国际刊物《国家科学评论》(National Science Review)上。

2020 年 1 月 20 日,我国第一架八轴旋翼量子无人机腾空而起,中国量子技术的世界领先地位再次得以彰显。

两架量子无人机起飞,实现「移动量子组网」,南大这项突破获国际认可

当时课题组的设计是,用一架无人机中分别向两个地面站 Alice 和 Bob 分别发送光子,两个地面站相距 200 米,都配备了一架 26 毫米口径的望远镜和一个单光子探测器。

当然,课题组必须考虑光的一个固有属性衍射,因为它会带来损耗。基于此,为了保证纠缠光子更远距离的传输,课题组要做的就是构建光的准直系统。

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于是在此次的研究中,作为第一架无人机和两个地面站之间的中继,第二架无人机出现在了实验中。

可见,课题组在朝着构建无人机移动量子信息网络的方向上,跨出了关键一步。

就未来而言,谢臻达教授也有几点展望:

  1. 利用更高巡航高度的无人机实现 300 公里以上的单链路连接,不受大气污染和天气环境引起的光束畸变影响。

  2. 利用更廉价的小型无人机实现局域连接,甚至覆盖行驶中的车辆。

  3. 将设备链接到卫星和光纤系统,实现全球量子组网。

期待听到南京大学在量子组网领域的更多好消息。

引用来源:

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.020503

https://www.nju.edu.cn/c4/55/c3674a509013/page.htm

https://physics.aps.org/articles/pdf/10.1103/Physics.14.7

http://slab.nju.edu.cn/teamdetail.aspx?id=86

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