近日，南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點實驗室祝世寧院士團隊的謝臻達教授和龔彥曉教授課題組在《物理評論快報》上發(fā)表最新研究成果稱，該團隊成功將光學(xué)中繼節(jié)點搭載于無人機平臺，并完成了首例移動節(jié)點間的自由空間通信鏈路搭建與光學(xué)中繼量子糾纏分發(fā)，在朝著構(gòu)建無人機移動量子信息網(wǎng)絡(luò)的方向上又跨出了關(guān)鍵一步。該研究論文同時入選了“編輯推薦”論文。

無論是經(jīng)典的信息系統(tǒng)還是量子的信息系統(tǒng)，構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)必須依靠中繼，要求中繼損耗小、保真度高。相比傳統(tǒng)光纖網(wǎng)絡(luò)，自由空間網(wǎng)絡(luò)受益于低傳輸損耗，是未來構(gòu)建全球化信息網(wǎng)絡(luò)的有力手段。然而，自由空間光傳輸卻會面臨衍射損耗的挑戰(zhàn)，隨著光的傳播，其波前會不斷擴散。當波前尺寸大于望遠鏡的孔徑，光收集效率就會降低。想實現(xiàn)糾纏光子更遠距離的傳輸，必須克服光的衍射帶來的損失。相比增大望遠鏡口徑，利用光學(xué)中繼構(gòu)建光的準直系統(tǒng)來重塑波前是一種更為廉價和靈活的方式。

論文通訊作者之一謝臻達告訴《中國科學(xué)報》，他們首次使用光學(xué)中繼以減少損耗，并將光學(xué)中繼的節(jié)點放到了處于飛行狀態(tài)的小型無人機上，在數(shù)千克的載荷限制內(nèi)實現(xiàn)單光子的高精度跟瞄接收和重新發(fā)射，尤如百步穿楊，“可以想象實驗難度之大”。

論文通訊作者之一龔彥曉介紹，通過光學(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1千米的情況下測得了2.59±0.11的CHSH S值，證明了這種光學(xué)中繼高度保持了光子對的糾纏特性，是一種有效的量子鏈路。2020年，該團隊在國際上首次成功實現(xiàn)了基于無人機的糾纏光子分發(fā)，研究成果發(fā)表于《國家科學(xué)評論》。

他進一步解釋道，這種光學(xué)中繼可以用在以無人機構(gòu)建的量子信息網(wǎng)絡(luò)中，多臺無人機之間通過中繼交換量子信息，將信息傳得更遠、散得更廣，并且能實現(xiàn)即搭即用的多節(jié)點移動量子網(wǎng)絡(luò)，機動靈活。

謝臻達希望，未來“通過更高巡航高度的無人機來實現(xiàn)300多公里的單鏈路連接，而不受大氣污染和天氣環(huán)境引起的光束畸變影響；而更廉價的小型無人機可以實現(xiàn)局域連接，甚至覆蓋行駛中的車輛。所有這些設(shè)備都可以鏈接到衛(wèi)星和光纖系統(tǒng)實現(xiàn)全球（量子）組網(wǎng)。

該項研究成果引起國外科學(xué)媒體和科學(xué)家的高度關(guān)注。美國《物理》評論文章認為，該工作可以催生基于無人機的量子網(wǎng)絡(luò)，在城市和農(nóng)村地區(qū)上空實現(xiàn)可重構(gòu)定位部署。英國倫敦帝國理工學(xué)院教授Myungshik Kim評論稱：“這是一項重大的技術(shù)進步。”英國布里斯托爾大學(xué)教授Siddarth Joshi在接受《新科學(xué)家》采訪時評論：“這項成就標志著邁向量子互聯(lián)網(wǎng)的重要一步?！?/p>

該項研究得到南京大學(xué)卓越計劃、江蘇省科技廳前沿引領(lǐng)項目、科技部國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金等項目的支持，南智先進光電集成技術(shù)研究院提供了重要的技術(shù)支撐。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.020503



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