光学中继助推移动量子网络构建

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。这次由南京大学完成的无人机纠缠光子分发实验光路中首次使用了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,可以想象实验的难度之大。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了2.59±0.11的CHSH S值,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。该团队去年曾报道在国际上首次成功实现了基于无人机的纠缠光子分发,该工作发表在我国出版的国际刊物《National Science Review》(vol7.921(2020))。这一次的进展使得他们在朝着构建无人机移动量子信息网络的方向上又向前跨出了关键一步。

美国《物理》(Physics)评论文章的题目是:“量子无人机正在起飞(Quantum Drones Take Flight)”。评论指出:“世界上已有一些团队正在研究无人机通信系统,而这个团队去年就实现了单一无人机与两个地面站之间的量子连接。但为了实现纠缠光子更远距离的传输,必须克服光本身的固有属性—光的衍射带来的损失,这就要构建光的准直系统。”文中介绍,“该研究团队通过采用光学中继的方法解决衍射损耗这一自由空间光量子传输的核心问题,采用了增加第二架无人机,作为第一架无人机和地面站之间的中继,通过中继过程重塑了光子的波前,从而使光子能以更高效率进入地面站上的望远镜。”文章还认为 “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,作者援引伦敦帝国理工学院Myungshik Kim的评论指出:“将如此复杂的光学器件集成进移动的无人机,移动过程中实现量子连接,这无疑增加了实现难度,这是一项大的技术进步。

展望未来,这种光学中继可以用在无人机构建的量子信息网络中,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,并且能实现即搭即用的多节点移动量子网络,机动灵活。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。英国布里斯托尔大学Siddarth Joshi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)。

近日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、龚彦晓教授课题组在量子信息研究中的最新进展以 “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)为题发表物理学旗舰刊物《物理评论快报》Physical Review Letters126, 020503 (2021)上,并入选了“编辑推荐”论文国际三大专业科学媒体,美国物理学会的《物理》Physics,美国科学新闻Science News和英国《新科学家》New Scientist也在文章上线的第一时间发表评论,对该项进展进行了报道,对其重要意义进行了评价。

论文通讯作者之一谢臻达表示,希望未来“通过更高巡航高度的无人机来实现300多公里的单链路连接,不受大气污染和天气环境引起的光束畸变影响;而廉价的小型无人机可以实现局域连接,甚至覆盖行驶中的车辆。所有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。

在这项工作完成涉及南京大学一个跨学科的团队,许多老师和研究生都参与其中做出了重要贡献。博士生刘华颖、田晓慧、范鹏飞,硕士生顾昌晟为论文的共同第一作者,谢臻达、龚彦晓、祝世宁为共同通讯作者。该项研究得到了南京大学卓越计划、江苏省科技厅前沿引领项目、科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持,南智先进光电集成技术研究院提供了重要的技术支撑。

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