南京大学首次实现基于无人机的量子纠缠分发 | 附视频

南京大学祝世宁团队谢臻达、龚彦晓等在量子信息研究中取得突破，首次实现了基于无人机移动平台的量子纠缠分发。该成果近日以 “Drone-based entanglement distribution towards mobile quantum networks”为题，在线发表于《国家科学评论》（National Science Review, NSR）。

对于这一研究成果，科学美国人（Scientific American）网站在一篇关于量子因特网的评论文章中给与高度评价，认为量子通信的“下一个最佳选择可能是相对便宜的无人机”。

科学美国人文章

量子纠缠分发是量子通信领域的重要研究内容，它可以有效证明量子通信链路的可靠性。此前，量子纠缠分发已在光纤链路以及卫星和地面之间的自由空间链路中获得成功。

但这两种链路的灵活性都受到一定限制：光纤链路可以利用现有光纤网络，但远距离传输受到光纤固有传输损耗的限制，且链路范围受限于光纤网络的铺建；卫星虽然能够实现远距离传输，但受到固定轨道约束，单颗卫星对于固定的地面基站只能在有限时间内建立连接，通信量受到限制，而由于量子通信点对点的特性，要完成全时段和全球覆盖，需要的卫星资源十分庞大。

在这项工作中，南京大学祝世宁团队提出以无人机等移动平台作为量子网络的基本节点，构建移动量子通信网络的设想，成功完成了第一个基于无人机的量子纠缠分发实验，并演示了其在白天、雨天等多气象条件下工作的能力，为移动量子通信网络的构建和发展提出了一种新的方案。

该实验的成功建立在多项技术创新的基础上：

• 高性能集成化量子纠缠光源。该光源重量仅468克，比采用传统技术的纠缠光源轻一个量级以上。该光源工作在810纳米波段，每秒可产生240万对纠缠光子，CHSH贝尔不等式S值达到2.725，接近2.828的理论极限。

• 可扩展的光信号收发一体系统。该系统重量仅3.7千克，首次实现了纠缠光源和自由空间单光子收发系统等关键量子通信器件的高度集成化、轻量化，实现了光链路可靠连接，使无人机搭载量子通信节点成为可能。该系统可以有效滤除太阳光对于单光子传输的干扰，使单光子接收不再局限在夜晚，而是可以在白天、雨天等多气象条件下正常工作，实地实验条件下S值仍可达到2.49。

• 质量轻、载荷大、续航时间长的纯电动无人机移动平台。无人机平台起飞重量仅35千克，可以在搭载10千克载荷情况下实现40分钟续航，可适应量子测量的苛刻要求。

• 便携式地面站系统。该配套系统以锂电池组直流供电，重量小于8千克，折叠可放入挎包，随身携带开机即用。

该研究经历两年多时间，团队成员（以青年教师和研究生为主）转战南京、石家庄、兰州多地，最终证明了以无人机移动平台为节点，构建量子纠缠分发网络的可行性，对量子信息技术的实用化意义重大。

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。

该项研究得到了南京大学卓越计划、科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目，以及兄弟单位的支持。

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Drone-based entanglement distribution towards mobile quantum networks

https://doi.org/10.1093/nsr/nwz227