說到無人機(jī)，很多人會(huì)想到絕美大片中的山川湖海、疫情期間，不戴口罩出門嘮嗑被勸退的大媽大爺、深圳經(jīng)濟(jì)特區(qū)建立 40 周年之際城市上空的精彩表演……其實(shí)，無人機(jī)還出現(xiàn)在眾多我們不曾留意或涉足的場(chǎng)景，在快遞運(yùn)輸、軍事偵查、救災(zāi)、測(cè)繪、電力巡檢等領(lǐng)域發(fā)揮效用。

就在最近，一組南京大學(xué)的科學(xué)家讓我們發(fā)覺，無人機(jī)竟還能與“移動(dòng)量子網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建”有所關(guān)聯(lián)——一個(gè)基于無人機(jī)的小型量子網(wǎng)絡(luò)原型成功地將量子信號(hào)傳遞到了 1 公里外的自由空間。

“猶如百步穿楊”

2021 年 1 月 15 日，相關(guān)論文以 Optical-relayed entanglement distribution using drones as mobile nodes（具有無人機(jī)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)光學(xué)中繼的糾纏分發(fā)）為題發(fā)表于物理學(xué)旗艦刊物《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）。

這一論文來自于南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室祝世寧院士團(tuán)隊(duì)謝臻達(dá)教授、龔彥曉教授課題組。

課題組在兩架距離為 200 米的無人機(jī)和地面之間構(gòu)建了一個(gè)小型量子通信網(wǎng)絡(luò)。這兩架無人機(jī)各重 35 公斤，一個(gè)用于分配糾纏光子，另一個(gè)用作中繼節(jié)點(diǎn)。

下圖所展現(xiàn)的便是基于移動(dòng)無人機(jī)節(jié)點(diǎn)的量子網(wǎng)絡(luò)和物理實(shí)現(xiàn)過程。

所謂“中繼”，就是兩個(gè)交換中心之間的一條傳輸通路（類似無線移動(dòng)通信中的基站），這一概念最早由 19 世紀(jì)末的丹麥數(shù)學(xué)家 Erlang 提出。

實(shí)際上，課題組在節(jié)點(diǎn)之間使用中繼收發(fā)器，是一種經(jīng)濟(jì)的解決方案，它可使每個(gè)鏈路的距離保持在瑞利距離（Rayleigh length，光學(xué)領(lǐng)域概念，指光束沿著其行進(jìn)方向，從其腰部到其面積為腰部面積 2 倍時(shí)的截面的距離）內(nèi)，從而使衍射損耗最小。

南京大學(xué)在新聞稿中提到：

信息系統(tǒng)（無論是經(jīng)典的還是量子的）要構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)必須要依靠中繼，對(duì)中繼的要求，一是要損耗小，二是要保真度高。這次的實(shí)驗(yàn)首次使用了光學(xué)中繼，并將光學(xué)中繼的節(jié)點(diǎn)放到了處于飛行狀態(tài)的小型無人機(jī)上，在數(shù)千克的載荷限制內(nèi)實(shí)現(xiàn)單光子的高精度跟瞄接收和重新發(fā)射。

官方更是用了“百步穿楊”一詞生動(dòng)描述了這一過程。

糾纏的光子對(duì)

物理學(xué)中有一個(gè)重要概念——量子糾纏（quantum entanglement）。

量子糾纏是指：幾個(gè)粒子彼此相互作用后，各自所擁有的特性已綜合成為了它們整體的性質(zhì)，無法單獨(dú)描述。作為量子力學(xué)領(lǐng)域的基本現(xiàn)象之一，量子糾纏可被簡單理解為兩個(gè)粒子相互作用并瞬間共享其物理狀態(tài)，即“一生俱生，一滅俱滅”。

當(dāng)年，在眾多物理學(xué)大佬出席的索爾維物理學(xué)會(huì)議上，以愛因斯坦為代表的量子力學(xué)懷疑者和以波爾為代表的量子力學(xué)阿本哈根學(xué)派進(jìn)行了一場(chǎng)跨越數(shù)年的物理學(xué)領(lǐng)域巔峰對(duì)決，最終這場(chǎng)交鋒能畫上句號(hào)，也是因?yàn)榱孔蛹m纏。

【1927 年索爾維物理學(xué)會(huì)議期間的神仙大合照】

直到 2019 年 7 月，英國物理學(xué)家首次拍攝到量子糾纏的照片，捕獲到這種難以捉摸現(xiàn)象的視覺證據(jù)。

可見，量子糾纏困惑了物理大佬們多年，至于我們普通人嘛，不要試著去理解，感受就好！

實(shí)驗(yàn)中，課題組所做的設(shè)計(jì)是，讓兩架無人機(jī)分別向地面兩個(gè)相距 1 公里的地面站 Alice 和 Bob 發(fā)送光子。Alice 記錄了無人機(jī) 1 向其發(fā)射的約 25% 的光子，Bob 則記錄了向它發(fā)射的大約 4% 的光子。

隨后，科學(xué)家們測(cè)得了高保真度的具有糾纏特性的光子對(duì)——光子對(duì)以 2.59±0.11 的 CHSH S 值實(shí)現(xiàn)了糾纏分布。

結(jié)果表明，南京大學(xué)這種基于無人機(jī)的光學(xué)中繼高度保持了光子對(duì)的糾纏特性，是一種有效的量子鏈路。

無人機(jī)，優(yōu)勢(shì)在哪？

針對(duì)上述研究，美國《物理》雜志（Physics）也在當(dāng)天發(fā)布了一篇題為 Quantum Drones Take Flight（量子無人機(jī)起飛）的評(píng)論性文章。

文章提到了量子加密信息最常見的幾種方式：

一是光纖——這種方式存在的問題是，很大一部分光子在到達(dá)目的地之前就會(huì)散射掉。

二是衛(wèi)星。

其實(shí)我國在量子衛(wèi)星方面已走在世界前列：2016 年 8 月 16 日凌晨 1 時(shí) 40 分，酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”發(fā)射升空，我國成為世界首個(gè)實(shí)現(xiàn)太空和地面之間量子通信的國家。

但在《物理》雜志看來：

衛(wèi)星既昂貴又難以適應(yīng)地面上不斷變化的需求。

相比較而言，攜帶光學(xué)設(shè)備的小型無人機(jī)提供的解決方案則靈活得多。

論文通訊作者之一、南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院教授、博導(dǎo)謝臻達(dá)曾表示：

無人機(jī)可以不受時(shí)空限制進(jìn)行移動(dòng)量子連接。與固定發(fā)射塔不同，無人機(jī)還可四處移動(dòng)，避開污染或霧霾。

首個(gè)無人機(jī)糾纏光子分發(fā)

雷鋒網(wǎng)注意到，南京大學(xué)在官方新聞稿中表示，去年課題組就曾實(shí)現(xiàn)了世界首個(gè)基于單一無人機(jī)的糾纏光子分發(fā)，研究成果發(fā)表于中國出版的國際刊物《國家科學(xué)評(píng)論》（National Science Review）上。

2020 年 1 月 20 日，我國第一架八軸旋翼量子無人機(jī)騰空而起，中國量子技術(shù)的世界領(lǐng)先地位再次得以彰顯。

當(dāng)時(shí)課題組的設(shè)計(jì)是，用一架無人機(jī)中分別向兩個(gè)地面站 Alice 和 Bob 分別發(fā)送光子，兩個(gè)地面站相距 200 米，都配備了一架 26 毫米口徑的望遠(yuǎn)鏡和一個(gè)單光子探測(cè)器。

當(dāng)然，課題組必須考慮光的一個(gè)固有屬性衍射，因?yàn)樗鼤?huì)帶來損耗。基于此，為了保證糾纏光子更遠(yuǎn)距離的傳輸，課題組要做的就是構(gòu)建光的準(zhǔn)直系統(tǒng)。

于是在此次的研究中，作為第一架無人機(jī)和兩個(gè)地面站之間的中繼，第二架無人機(jī)出現(xiàn)在了實(shí)驗(yàn)中。

可見，課題組在朝著構(gòu)建無人機(jī)移動(dòng)量子信息網(wǎng)絡(luò)的方向上，跨出了關(guān)鍵一步。

就未來而言，謝臻達(dá)教授也有幾點(diǎn)展望：

利用更高巡航高度的無人機(jī)實(shí)現(xiàn) 300 公里以上的單鏈路連接，不受大氣污染和天氣環(huán)境引起的光束畸變影響。

利用更廉價(jià)的小型無人機(jī)實(shí)現(xiàn)局域連接，甚至覆蓋行駛中的車輛。

將設(shè)備鏈接到衛(wèi)星和光纖系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全球量子組網(wǎng)。

期待聽到南京大學(xué)在量子組網(wǎng)領(lǐng)域的更多好消息。

責(zé)任編輯：haq