一架重約 35 千克的八軸旋翼飛行器緩緩升空，當升至幾十米的高度時(shí)，分別向 100 米外的地面A、B兩點(diǎn)射出一對糾纏光子，兩個(gè)光子在歷經(jīng)大氣湍流、雨水、陽(yáng)光等干擾后，仍能幾乎完好地抵達地面。

　　南京大學(xué)祝世寧、謝臻達、龔彥曉團隊歷時(shí)兩年多研發(fā)的這套系統，在國際上首次實(shí)現基于無(wú)人機的量子糾纏分發(fā)，填補了該領(lǐng)域的空白。

　　1 月 20 日，科技日報記者從南京大學(xué)獲悉，著(zhù)名期刊《國家科學(xué)評論》(National Science Review)近日發(fā)表了這一研究成果。有評論指出，量子通信的“下一個(gè)最佳選擇可能是相對便宜的無(wú)人機”。

　　量子糾纏是一種奇異的量子力學(xué)現象，處于糾纏態(tài)的兩個(gè)光子不論相距多遠都存在一種關(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)生相應改變。如果能把制備好的兩個(gè)糾纏光子分別發(fā)送到兩個(gè)點(diǎn)，通過(guò)觀(guān)察兩個(gè)點(diǎn)的投影測量結果，就可以驗證量子糾纏是否存在。

　　這種“心靈感應”似的神秘關(guān)聯(lián)，用于量子通信領(lǐng)域，對于監測信息傳輸的安全性極具意義，被譽(yù)為是未來(lái)通信的“機密武器”。

　　此前，量子糾纏分發(fā)主要有兩種，一種需依托光纖鏈路，一種是在衛星和地面之間的自由空間分發(fā)傳輸。

　　“光纖傳輸需要鋪設光纖、借助光纖網(wǎng)絡(luò )，遠距離傳輸會(huì )有信息損耗;

　　而衛星傳輸，受軌道限制，同時(shí)還要參考一定的時(shí)間窗口，通信量受約束。

　　而用無(wú)人機進(jìn)行量子糾纏分發(fā)，具有機動(dòng)快速、按需組網(wǎng)、易于擴展、成本低廉的特點(diǎn)。”中國科學(xué)院院士、南京大學(xué)教授祝世寧說(shuō)。

　　從 2017 開(kāi)始，研究團隊便輾轉南京、石家莊、蘭州做實(shí)驗，最終，他們實(shí)現了基于無(wú)人機的量子糾纏分發(fā)。這架八軸旋翼無(wú)人機，可以搭載 10 千克的量子通信系統，在空中分別向 100 米外的A、B兩個(gè)便攜式地面站發(fā)送光子，測量結果顯示，A、B兩點(diǎn)光子糾纏態(tài)的貝爾不等式S值達到 2.49，量子糾纏分發(fā)獲得成功。

科研團隊在進(jìn)行實(shí)驗。

　　“我們的實(shí)驗結果證明傳輸鏈路穩定，損耗比較低。”團隊研究成員之一、南京大學(xué)教授謝臻達說(shuō)，量子糾纏分發(fā)是量子通信的重要手段之一，實(shí)驗的成功，預示著(zhù)利用無(wú)人機構建量子通信網(wǎng)絡(luò )是有可能的。

　　實(shí)驗的成功，來(lái)自無(wú)人機上搭載的諸多系統，例如高性能集成化量子糾纏光源、光信號收發(fā)一體系統等。謝臻達介紹，無(wú)人機搭載糾纏光源凈重 468 克，比傳統技術(shù)的糾纏光源輕一個(gè)量級以上。而輕量級的糾纏光源對于無(wú)人機等更小的傳輸平臺來(lái)說(shuō)，負擔更輕，應用場(chǎng)景更廣，但性能并不受影響。該光源每秒可產(chǎn)生 240 萬(wàn)對糾纏光子，這意味著(zhù)產(chǎn)生效率很高，有利于提升量子糾纏分發(fā)的速率。

無(wú)人機的夜間實(shí)驗。

　　在白天，來(lái)自太陽(yáng)的干擾很多，單光子的光很弱，不容易被發(fā)現，量子糾纏態(tài)很容易被淹沒(méi)在噪聲中。

　　遇到雨天，設備和傳輸鏈路也有可能受影響，為此，研究團隊設計了一種反應快速的輕量化收發(fā)跟蹤系統。

　　“我們把地面接收系統的光纖孔徑設計的很小，只有幾微米，接收范圍越小，抗干擾性就越強，將光盡量精準地收集到接收系統里，鏈路損耗就會(huì )小。”謝臻達說(shuō)，根據實(shí)驗結果，單光子測量可以在白天、雨天等多種條件下正常進(jìn)行，這意味著(zhù)基于無(wú)人機的量子糾纏分發(fā)，有可能讓量子通信網(wǎng)絡(luò )隨時(shí)隨地按需覆蓋。
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