没有光纤和卫星也能实现量子通信？无人机了解一下

光子盒研究院出品

1月15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)为题发表在物理学旗舰刊物《物理评论快报》(Physical Review Letters，126, 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，而不受大气污染和天气环境引起的光束畸变影响；而更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。

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，单光子尤如百步穿杨，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公里的情况下测得了2.59±0.11的CHSH S值，研究人员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。

早在2019年6月，IEEE发文章称，南京大学的“量子无人机”(Quantum Drone)技术得到了突破性发展，为了弥补量子卫星通信的不足，南京大学的研究人员尝试利用无人机作为卫星和地面量子网络之间的关键节点。

可扩展量子网络示意图

研究人员开发了一种八轴旋翼飞行器，飞机共有35公斤，包括机载的量子通信系统。经过实验发现，量子无人机一次可以在空中盘旋40分钟。并且能够维持两个空对地链路，每个大约100米长，还可以在白天、晴朗的夜晚，甚至在雨夜接收和传输纠缠的光子。

通常情况下，光束衍射是自由空间量子网络的一个基本问题，其中衍射损耗占主导地位的是大距离，如卫星到地面的距离。

然而，在基于无人机的网络中，可以应用多节点将长链路划分为较短链路。在这种情况下，每个无人驾驶飞机节点可以接收光子并将其重新发送到下一个节点以进行级联传输。另一种布局方式是可以缩小量子通信系统的规模，从而适应局域量子网络的小型无人机。还可以将其放大，从而装载到高空无人机上，这些无人机会成为跨越数百公里的广域网中的节点。 

因此，量子无人机网络有望填补卫星和地基量子网络之间的短板。通过将这种便携式量子节点与现有卫星和地基节点连接起来，可以预期产生完全和广泛覆盖的量子网络。

2020年1月，该团队又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。

虽然该实验仅展示了200米以上的纠缠分发和接收能力，但通过器件参数优化、多机组网，利用现有的无人机能力就可以实现数平方公里的覆盖。

这种机载移动量子通信平台也可以通过高空无人机、高空气球等多种载体构建长距离链路，并与现有的光纤和卫星量子网络连接，在广阔天空中填补天地之间的空缺，解决不同层次的量子网络全天候、广覆盖的问题。

美国《物理》（Physics）评论文章的题目是:“量子无人机组正在起飞(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，在移动过程中实现量子连接，这无疑增加了实现难度，这是一项重大的技术进步。”

目前，部署无人机现在还面临多重挑战。该系统考虑到许多纠缠光子预计会在进出无人机的途中散落，吸收或以其他方式丢失，但无人机的量子通信系统可能会判断失误。

例如，太阳的光线就像其中一些失去纠缠的光子。而这些错误可能会使用户过度自信，从而危及系统的安全性。此外，无人机在低层大气中飞行，大气湍流是信号衰退的重要来源，但无人机本身就是湍流的一个重要来源。这种无法避免的湍流可能会降低量子通信的性能。

即便如此，来自德国的量子科学家Dmytro Vasylyev说，量子无人机仍然具有明显的优势。

展望未来，这种光学中继可以用在以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）。”

相关论文链接：

[1]https://arxiv.org/abs/1905.09527

[2]https://academic.oup.com/nsr/article/7/5/921/5695761

[3]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.020503

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