什么是量子糾纏？

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(gè)光子不論相距多遠(yuǎn)都存在一種關(guān)聯(lián)，其中一個(gè)量子狀態(tài)發(fā)生改變，另一個(gè)的狀態(tài)會(huì)瞬時(shí)發(fā)生改變。把兩個(gè)糾纏光子分別發(fā)送到兩個(gè)點(diǎn)，通過(guò)觀察兩個(gè)點(diǎn)的投影測(cè)量結(jié)果，就可以驗(yàn)證量子糾纏是否存在。這一特性如果應(yīng)用在通信領(lǐng)域，可以觀察兩個(gè)點(diǎn)的光子的糾纏態(tài)是否丟失，來(lái)判斷信息是否被竊聽(tīng)。而自由空間的光傳輸會(huì)發(fā)生衍射，造成信息丟失或帶來(lái)噪聲，使用光學(xué)中繼站，可以讓信息在傳輸中更大程度地保真，讓長(zhǎng)距離傳輸?shù)牧孔有畔⒁材芫珳?zhǔn)安全抵達(dá)。

基于無(wú)人機(jī)的光學(xué)中繼量子糾纏分發(fā)示意圖。課題組供圖

無(wú)人機(jī)架建網(wǎng)絡(luò)中繼站

前不久，中國(guó)科學(xué)院院士祝世寧領(lǐng)銜的南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室謝臻達(dá)、龔彥曉教授課題組在一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，在兩架相距200米的重約35千克的無(wú)人機(jī)和地面之間構(gòu)建了一個(gè)小型的量子通信網(wǎng)絡(luò)，并向地面相距1公里的兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡，分別發(fā)送一個(gè)光子，最終測(cè)得了高保真度的具有糾纏特性的光子對(duì)。

這一成果近日發(fā)表于物理學(xué)旗艦刊物《物理評(píng)論快報(bào)》。美國(guó)物理學(xué)會(huì)的《物理》、美國(guó)《科學(xué)新聞》和英國(guó)《新科學(xué)家》等國(guó)際三大專業(yè)科學(xué)媒體對(duì)研究的重要意義進(jìn)行評(píng)價(jià)。

無(wú)人機(jī)移動(dòng)量子網(wǎng)絡(luò)構(gòu)想圖。課題組供圖

用無(wú)人機(jī)做量子網(wǎng)絡(luò)中繼站，單模光纖接發(fā)信號(hào)降損

想組建信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，必須要依靠“中繼站”，這有點(diǎn)類(lèi)似無(wú)線移動(dòng)通信的基站。如果信息在歷經(jīng)中轉(zhuǎn)后依然能準(zhǔn)確無(wú)誤的抵達(dá)目的地，就要求中繼站一要損耗小，二要保真度高。

一年前，該團(tuán)隊(duì)嘗試由一架無(wú)人機(jī)中在空中分別向兩個(gè)便攜式地面站發(fā)送光子，并首次成功實(shí)現(xiàn)基于無(wú)人機(jī)的糾纏光子分發(fā)。當(dāng)時(shí)，為了收集光子，每個(gè)地面站都配備了一個(gè)26毫米口徑的望遠(yuǎn)鏡，以及一個(gè)單光子探測(cè)器。

然而，光通信形式的一個(gè)主要挑戰(zhàn)來(lái)自衍射。隨著單個(gè)光子的傳播，其波前會(huì)像手電筒的光束一樣擴(kuò)散展開(kāi)。

如果這種擴(kuò)散使得波前大于望遠(yuǎn)鏡的孔徑，那么光子被收集的機(jī)會(huì)就會(huì)減小。想實(shí)現(xiàn)糾纏光子更遠(yuǎn)距離的傳輸，必須克服光的衍射帶來(lái)的損失，這就要構(gòu)建光的準(zhǔn)直系統(tǒng)，中繼站便是關(guān)鍵。

在此次實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)添加了第二架無(wú)人機(jī)，作為第一架無(wú)人機(jī)和地面站之間的中繼站。

“我們?cè)谝患軣o(wú)人機(jī)上搭載了一個(gè)糾纏光子源，并將其中一個(gè)光子發(fā)送到距離400米遠(yuǎn)的地面站的望遠(yuǎn)鏡上。再將第二個(gè)光子，通過(guò)單模光纖發(fā)送到第二架無(wú)人機(jī)上，第二架無(wú)人機(jī)上直徑4微米的單模光纖接收后，再將其發(fā)送到第二個(gè)地面站的望遠(yuǎn)鏡上。第二架無(wú)人機(jī)接收光子的過(guò)程類(lèi)似于聚焦透鏡，重塑了光子的波前。這樣一來(lái)，光子到達(dá)另一個(gè)地面站望遠(yuǎn)鏡上的機(jī)會(huì)變得更大了。”此次論文的通訊作者之一謝臻達(dá)教授告訴科技日?qǐng)?bào)記者，這是他們?cè)跓o(wú)人機(jī)糾纏光子分發(fā)實(shí)驗(yàn)光路中首次使用光學(xué)中繼以減少損耗，并且將光學(xué)中繼的節(jié)點(diǎn)放到了處于飛行狀態(tài)的小型無(wú)人機(jī)上，在數(shù)千克的載荷限制內(nèi)實(shí)現(xiàn)單光子的高精度跟瞄接收和重新發(fā)射，尤如百步穿楊。

值得欣喜的是，實(shí)驗(yàn)成功了，“測(cè)量發(fā)現(xiàn)，通過(guò)光學(xué)中繼，糾纏光子分發(fā)的距離突破了小型光學(xué)系統(tǒng)的衍射限制，在分發(fā)距離1千米的情況下，測(cè)得貝爾不等式S值達(dá)到2.59±0.11的，證明了這種光學(xué)中繼高度保持了光子對(duì)的糾纏特性，是一種有效的量子鏈路?！敝x臻達(dá)說(shuō)。

基于無(wú)人機(jī)的光學(xué)中繼量子糾纏分發(fā)的實(shí)驗(yàn)實(shí)景照片。課題組供圖

組網(wǎng)更加靈活，未來(lái)將嘗試300公里高空量子傳輸

這一成果，得到多家國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊的關(guān)注。美國(guó)《物理》評(píng)論，“衛(wèi)星價(jià)格昂貴而且難以適應(yīng)地面上不斷變化的需求”，而“攜帶光學(xué)設(shè)備的小型無(wú)人機(jī)可以提供一種靈活的解決方案，在量子網(wǎng)絡(luò)中鏈接多個(gè)用戶”，“該工作可以催生基于無(wú)人機(jī)的量子網(wǎng)絡(luò)，在城市和農(nóng)村地區(qū)上空實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)定位部署。”

英國(guó)的《新科學(xué)家》雜志則評(píng)價(jià)，在這個(gè)工作中，人們首次實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)節(jié)點(diǎn)間自由空間量子鏈路的搭建。英國(guó)布里斯托爾大學(xué)Siddarth Joshi在接受《新科學(xué)家》雜志采訪時(shí)評(píng)論，“這項(xiàng)成就標(biāo)志著邁向量子互聯(lián)網(wǎng)的重要一步，當(dāng)你在開(kāi)車(chē)過(guò)程中想要保持安全的量子通信，這些無(wú)人機(jī)可以在你車(chē)后飛來(lái)飛去（以保持連接）。

美國(guó)《科學(xué)新聞》評(píng)論認(rèn)為：“人們可能會(huì)通過(guò)無(wú)人機(jī)接入量子互聯(lián)網(wǎng)，將來(lái)無(wú)人機(jī)機(jī)群可以協(xié)同工作，將糾纏光子發(fā)送到各個(gè)位置的接收者?！?/p>

謝臻達(dá)表示，今后可以在多臺(tái)無(wú)人機(jī)之間通過(guò)中繼交換量子信息，將信息傳得更遠(yuǎn)，散得更廣?！盁o(wú)人機(jī)之間的量子傳輸不受固定的光纖傳輸?shù)挠绊懀瑳](méi)有介質(zhì)損耗，而且可以根據(jù)需要，靈活組網(wǎng)，例如在應(yīng)急、急救場(chǎng)景的量子通信中，臨時(shí)組網(wǎng)、多次組網(wǎng)?！?/p>

未來(lái)發(fā)展

展望未來(lái)，謝臻達(dá)介紹，利用小型無(wú)人機(jī)可以實(shí)現(xiàn)局域組網(wǎng)，甚至覆蓋行駛中的車(chē)輛，這些設(shè)備都可以鏈接到衛(wèi)星和光纖系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全球量子組網(wǎng)?！拔磥?lái)我們也會(huì)嘗試用更高巡航高度的移動(dòng)平臺(tái)，例如固定翼飛機(jī)或者氣球，來(lái)實(shí)現(xiàn)300多公里的單鏈路連接，這樣可以不受大氣污染和天氣環(huán)境引起的光束畸變影響，構(gòu)建廣域移動(dòng)量子鏈路。”