量子計算、通訊、加密——這些技術名詞聽起來還很高大上，離進入平常百姓的生活還很遠。 不過，藉助無人機的力量，最近量子通訊移動組網方面取得一次關鍵進展。而獲得這個進展的主角是一所國內大學科研團隊——南京大學團隊。該團隊首次使用光學中繼，減少信號損耗，還將中繼節點放到了載荷只有幾千克的小型無人機上。
文｜杜晨 編輯｜Vicky Xiao
這一進展，有望在未來使得無人機組網的量子通訊成為可能。
包括美國物理學會和中國《國家科學評論》(National Science Review) 等在內的國際權威機構和期刊，近日刊登了南京大學固體微結構物理國家重點實驗室的論文 Optical-Relayed Entanglement Distribution Using Drones as Mobile Nodes.
論文詳細介紹了該團隊最近的一項實驗，首次將光學中繼的節點放到了出於飛行狀態的小型無人機上，在分發距離1公里的情況下，仍然高度保持了光子對的糾纏特性，證明了量子鏈路的有效性。
常規的電子通訊採用電或波信號，通過光纖或空氣傳播，而量子通訊作為目前最前沿的通訊技術方向，其工作原理是量子的糾纏效應，也即兩個粒子在彼此相互作用後成為糾纏粒子，分別放在通信的雙方，對其中一個粒子進行測量便可立即得知另一個粒子的狀態。因為這種效應，量子通訊幾乎無法被截取和竊聽，可以被用於加密通訊。
此前，自由空間內的光量子通訊，已經在距離超過1000千米的衛星和地面站之間成功實現。不過衛星的造價和運維昂貴，難以適應地面上隨時發生、不斷變化的需求，通信量較低，如果要實現更大范圍更長時間的覆蓋，需要全球衛星組網。
而在固網量子通訊方面，光纖可以用於遠距離傳輸，但鏈路范圍受限於光纖網絡基礎設施，並且光纖也有傳輸損耗，同樣需要中繼點。
而南大團隊的這項研究證明了，採用相對更為廉價的小型無人機等設備，完全可以在相對更近的距離內組建量子通訊網絡，並且由於無人機的可移動性，組網可以更加靈活，網絡的可用性也比衛星量子通訊更高（衛星通訊存在窗口限制）。
南大學生劉華穎、田曉慧、范鵬飛、顧昌晟等人為本論文的共同第一作者，固體微結構物理國家重點實驗室謝臻達、龔彥曉、祝世寧教授等人為共同通訊作者。
在去年年初的前序實驗中，團隊已經證明了無人機網絡在雨天等多種氣象條件下工作的能力。結合該團隊在量子糾纏光源制備技術突破的基礎上，本次研究又實現了多項技術創新。
謝臻達教授透露，這次實驗採用的量子糾纏光源重量只有468克，加上光信號收發一體系統，重量僅3.7千克，最終，單架無人機的起飛重量只有35千克左右。這一實驗，在自由空間光量子通訊領域內，首次實現關鍵器件的高度集成化、輕量化，並且實現了光鏈路可靠連接。
簡單來說，在無人機A上，量子糾纏分發系統採用水晶將一枚光子分裂成一對糾纏的光子，其中一枚發送給距離400米的地面站1，另一枚通過距離200米的中繼無人機B，發送給和B距離400米的地面站2。整個通信網絡的橫跨長度為1千米。
為了解決自由空間光量子通訊常見的光衍射導致的損失，團隊設計了一套光的準直系統，在無人機B上重塑接收到光子的波前，使得光子能以更高效率被中繼，讓地面站更容易光測到。
團隊進行測試後發現，兩個地面站收到的光子能夠保持糾纏特性（CHSH S值為2.59±0.11），證明了整個系統雖然相對低成本，但在小巧、靈活的基礎上，仍然能夠達成量子通訊的基準目標。
謝臻達表示，希望未來能夠通過高空無人機、氣球等更多種類的平台，構建更長距離（300公里）的通訊鏈路。除了拉長通訊距離之外，這樣做還可以改善自由空間光量子通訊在不同天氣和污染情況下的通訊質量。
前面提到，當下的量子通訊要麼在純地面（光纖），要麼在地面-太空（衛星）完成。而南大團隊的這項研究，獲得了不少國際上的量子通訊專家的贊賞。大多數人都認為這項研究填補了兩者之間的空白，讓更大范圍的量子通訊組網成為可能。
想象在未來，那些有量子通訊需求的用戶，不再需要等待衛星通訊窗口，或者必須要前往特定的地面光纖通訊站——只用無人機，即可隨時隨地完成組網，實現通訊。
屆時的量子通訊網絡，鏈接結構可能是這樣的：用戶端設備——布滿低空的小型無人機——高空無人機和氣球——量子通訊衛星+地面光纖系統，最終實現全球量子通訊組網。
來源：cnBeta
