南京大學(xué)祝世寧團(tuán)隊(duì)謝臻達(dá)、龔彥曉等人首次借助無人機(jī)這種移動(dòng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了量子糾纏分發(fā)，這是無人機(jī)應(yīng)用于量子通信的重大突破。該成果近日以“Drone-based entanglement distribution towards mobile quantum networks”（《面向移動(dòng)量子網(wǎng)絡(luò)的無人機(jī)平臺(tái)量子糾纏分發(fā)》）為題，在線發(fā)表于《國家科學(xué)評論》（National Science Review, NSR）。
量子通信，是指利用量子效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的一種新型的通信方式。量子糾纏分發(fā)是實(shí)現(xiàn)量子通信的路徑之一，即構(gòu)建一對糾纏的光子，將兩個(gè)光子分別發(fā)送給通信雙方，它們即使隔著一定的距離，也具有被愛因斯坦稱為“鬼魅般的超距作用”。利用這一特性可以進(jìn)行信息傳遞，這個(gè)過程不可復(fù)制和破解，具有安全性高的優(yōu)點(diǎn)。
那么，用無人機(jī)進(jìn)行量子糾纏分發(fā)，到底有什么意義呢？荔枝科技專訪了項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，南京大學(xué)的謝臻達(dá)教授。
謝教授說，這證明了現(xiàn)在廣泛使用的無人機(jī)，也可以成為量子通信網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，具有機(jī)動(dòng)靈活、組網(wǎng)迅速、可擴(kuò)展性好、成本較低等特點(diǎn)。
目前光纖和衛(wèi)星都成功地實(shí)現(xiàn)了量子糾纏分發(fā)，證明了這兩種通信途徑的可靠性。南京大學(xué)團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，提出用無人機(jī)構(gòu)建“移動(dòng)量子通信網(wǎng)絡(luò)”，為量子通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建提出了一種新方案。
團(tuán)隊(duì)成員經(jīng)過兩年多的努力，在南京、石家莊、蘭州等地開展并完成了實(shí)驗(yàn)，證明了該方案有諸多優(yōu)點(diǎn)：
首先，設(shè)備很輕巧。
高性能集成化量子糾纏光源。該光源重量僅468克，比采用傳統(tǒng)技術(shù)的糾纏光源輕一個(gè)量級以上；
可擴(kuò)展的光信號(hào)收發(fā)一體系統(tǒng)。該系統(tǒng)重量僅3.7千克，首次實(shí)現(xiàn)了糾纏光源和自由空間單光子收發(fā)系統(tǒng)等關(guān)鍵量子通信器件的高度集成化、輕量化，實(shí)現(xiàn)了光鏈路可靠連接，使無人機(jī)搭載量子通信節(jié)點(diǎn)成為可能；
配套的便攜式地面站系統(tǒng)，以鋰電池組直流供電，還不到8千克，折疊可放入挎包，隨身攜帶開機(jī)即用。
其次，這套系統(tǒng)可以有效濾除太陽光對于量子信號(hào)——單光子在傳輸時(shí)的干擾，白天、夜晚、雨天等多種氣象條件下都能正常工作。
第三，目前團(tuán)隊(duì)用多旋翼純電動(dòng)無人機(jī)作為平臺(tái)，搭載量子通信設(shè)備，續(xù)航時(shí)間能夠達(dá)到幾十分鐘，可以適應(yīng)量子通信的一些苛刻要求。
對于這一研究成果，科學(xué)美國人（Scientific American）網(wǎng)站也曾在一篇關(guān)于量子因特網(wǎng)的評論文章中給與高度評價(jià)，認(rèn)為量子通信的“下一個(gè)最佳選擇可能是相對便宜的無人機(jī)”。
謝教授說，為了遵守對無人機(jī)飛行的相關(guān)規(guī)定，實(shí)驗(yàn)主要是在200米以內(nèi)的低空空域進(jìn)行，量子通信的有效距離在200米左右。但是通過器件參數(shù)優(yōu)化、多機(jī)組網(wǎng)，利用現(xiàn)有的無人機(jī)能力就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)平方公里的覆蓋。
這項(xiàng)技術(shù)還有更大的潛力：如果他們開發(fā)的這種量子通信設(shè)備，用高空、長航時(shí)無人機(jī)、高空氣球等搭載，與現(xiàn)有的的光纖和衛(wèi)星量子網(wǎng)絡(luò)連接，解決不同層次的量子網(wǎng)絡(luò)全天候、廣覆蓋的問題，對推進(jìn)量子通信的實(shí)用化有重大的意義。
此外，無人機(jī)平臺(tái)本身的機(jī)動(dòng)性特別強(qiáng)，可以低成本、快速應(yīng)急部署，臨時(shí)建立量子通信鏈路，并能夠適應(yīng)復(fù)雜地形，有望在國防、救災(zāi)、金融等領(lǐng)域中得到應(yīng)用。
據(jù)了解，該項(xiàng)研究得到了南京大學(xué)卓越計(jì)劃、科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目，以及其他合作單位的支持。
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