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世界首个移动量子链路诞生,南大科学家以无人机为中继站,有望实现量子链接覆盖最大化
深科技 | 2021-02-07 22:26:46    阅读:225   发布文章
提起 2008 年,5・12 汶川地震一直是中国人无法绕开的一个话题。


那场 8.0 级特大地震及其引发的滑坡、崩塌等次生灾害,顷刻间几乎损毁了灾区全部交通基础设施与通信设备,直接导致应急通信车无法开进现场,震中长达数小时处于失联状态。为避免错过抢险救灾的黄金期,通信部队只能依靠人力背着一根根光缆徒步挺进灾震区,紧急搭建出一条条信息救灾通道。
如今,这种 “人肉背光缆” 的抢险方式将有望被彻底改变。
近日,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、龚彦晓教授课题组首次使用光学中继,并将光学中继的节点放到处于飞行状态的小型无人机上,成功实现了纠缠光子分发实验。 

他们开创性地引入了无人机元素来交换量子信息和构建量子信息网络,从而实现了更远和更广的覆盖范围;同时,还极大便利了多节点移动量子网络的搭建,做到 “即搭即用”、机动灵活;这种移动式的量子网络,还可以作为一种新型量子通讯平台,与已有的地基(光纤)、天基(卫星)量子链路功能互补,构建实用化的量子互联网。
该研究成果于 1 月 15 日发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上,标题为《以无人机为移动节点的光中继纠缠分布》(Optical-relayed entanglement distribution using drones as mobile nodes)。论文共同第一作者为研究生刘华颖、田晓慧、范鹏飞、顾昌晟。


“这项技术一旦成熟,目前由光缆连接的相对固定的****就能用带有光学中继的无人机代替,实现量子加密的光通信,‘让这些****飞起来’,从而广泛应用于一些特殊场景,比如在地震、泥石流等灾害发生后进行抢险救灾,或者是海上航行及其他地形复杂区域继续用网时等。” 南京大学电子科学与工程学院教授、博士生导师谢臻达告诉 DeepTech。
以无人机为中继站
一直以来,量子通信都被视为实现无条件信息安全传输的最佳途径。然而,要建立真正实用的量子通信网络,仍面临着一些根本挑战。
第一,当前的单光子编码的量子链路只能建立在点对点上,不仅无法在多个目的地之间发送量子信息,更无法根据实际需求在位置和时间上进行变化,并且还要不受天气条件的影响;第二,量子通信对于链路丢失十分敏感,这不仅会降低数据速率,还会影响安全性。但是在光纤等常规光通信信道中,链路丢失又似乎是不可避免的。
而要彻底解决上述两大挑战,并搭建出自由空间量子光通讯系统,就需要利用损耗小、保真度高的光中继系统。只有这样,才能尽量避免光传输过程中衍射损耗导致的成码率降低和噪声的增加,才能在保证安全性的前提下,以较高的传输速率实现长距离量子信息传输。
该研究团队以无人机作为搭载中继器的移动平台,将量子纠缠光源和光中继系统分别搭载在两架无人机上,在数千克载荷限制内实现了单光子高精度跟瞄接收和重新****,利用光中继系统中单模光纤的耦入耦出,将高斯光束重新整形后发出,借此一举解决掉衍射损耗问题。

如上图所示,纠缠光子对在一个无人机(左侧)上产生,其中的一个光子直接传输到地面接收端(紫色光路),另一个通过第二架无人机的光中继再传输到地面接收端(橙色光路)。这种光学中继不仅可以引导单光子光束,而且在偏振补偿之后,光子通过单模光纤(Single Mode Fiber,简称 SMF)被投到第二个收发器单元,以便向目的地或下一个节点进行重新准直,并且每个收发器都包括一个望远镜及其捕获、指向和跟踪 (Acquisition, Pointing, and Tracking,简称 APT) 系统。 
实验中,纠缠光子在分发距离 1 千米的情况下测得了 2.59±0.11 的贝尔不等式(Clauser-Horne-Shimony-Holt,简称 CHSH)的 S 值,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。
谢臻达坦言,回顾整个研究过程,遇到过很多困难。比如,为验证该项技术在不同条件下的性能表现,他们要在野外进行实地实验,为此先后辗转多地,包括南京、石家庄以及兰州等,条件也比较艰苦。
但最大的难点还在于小型化器件与设备的设计与开发。据介绍,为降低光学器件以及整个系统的尺寸和重量,把中继节点和纠缠源节点都装进其设计的飞行时间更长的八旋翼无人机中,他们设法通过光学继电器让每个链路长度都保持在 400 m 以下,使之保持在系统的瑞利衍射极限 676 m 之内,从而使衍射损耗可以忽略不计。
另外,望远镜光束孔径只有 26.4 mm,以及轻型、高能见度的紧凑机载纠缠光子源等,这样就使总有效载荷重量保持在 11.8 公斤以内,起飞重量为 35 公斤,两架无人机的实现连接时间达到 40 分钟。
谢臻达指出,他们研发的这种便携式系统,具有实用的、低成本的特点,适用于多节点结构,允许进行大批量生产。并且他们目前所使用的商用部件尺寸比实际需要的要大,这也给了他们系统进行不断减重的空间。
“从 1 到 2 的跨越”
事实上,早在 2017 年,该团队就开始了相关研究,并于 2020 年 1 月首次成功实现了基于一架无人机的纠缠光子分发实验,该成果发表在期刊National Science Review 上,论文标题为《基于无人机的移动量子网络纠缠分布》(Drone-based entanglement distribution towards mobile quantum networks)。
“在这项工作的基础上,我们完成了‘从 1 到 2’的跨越,” 谢臻达表示,“简单来说,就是去年我们是利用一架飞机,今年做到用两架无人机在空中领域搭建量子链路,我们称之为光学中继纠缠分发的实验,这个实验的意义在于,一方面是引入了自由空间的光学中继,通过无人机这种移动节点重塑了单光子波前,进而克服光学中继器的损耗难题。另一方面,第一次在自由空间中将两个移动量子节点连接起来,基于此就可以把自由空间中的移动量子链路推广到多节点的连接,乃至构建多节点的网络,这样就能够在任意时间、任意空间实现最大化的链接覆盖。” 
所以,这次的进展意味着,他们朝着构建无人机移动量子信息网络的方向跨出了关键一步。
谈及应用一架无人机与两架无人机在技术原理上是否存在差异,谢臻达介绍道,从物理的概念上讲,此次实验做的仍然是构建移动量子链路,但不同之处主要包括两点:第一点是这次研究需要利用更精确的光学装置,让光子无损地****至第二架无人机上,并在接收后再****出去,所以这对光的接收与对准跟踪进度都提出了很高的要求。第二点,此前的工作是在一个移动节点与一个地面的节点之间进行,相对难度较低,而现在利用两架飞行当中的无人机,这显然对于电路的跟踪精度和飞行速度等也提出了很高要求。
如何建成世界上首个小型机载量子链路?“这个领域国际上一直有很多人想做,很多人在做,但只有我们率先将量子光源这些关键的技术关节打通了,从而实现了无人机在量子网络的真正落地与应用。” 谢臻达表示。
他告诉 DeepTech,他们之所以开展这一研究,并成为国际上首个成功搭建出机载量子网络的团队,一方面源自南京大学的卓越计划的推动,另一方面是其团队具有天然的技术优势 — 可直接从南京大学介电体超晶格实验室研究积累中汲取技术 “营养”。
据了解,该实验室从上世纪 80 年代就开始专注于光学微结构研究,包括量子光学、微纳米光学等,经过数十年积累,实验室成功研发出世界上第一块铌酸锂的光量子芯片,实现多种各样光学元件的集成化,将光量子节点集成到体积更小的芯片上,这些实验成果在很大程度上为他们后来的实验奠定了基础,让无人机搭载光子信号成为可能。
此外,谢臻达本人还是一个不折不扣的无人机爱好者,之前还在各种无人机模型比赛中获得过冠军,对无人机的热爱、兴趣与了解,给了他把无人机与量子网络相结合的灵感。
谢臻达,南京大学电子科学与工程学院教授、博导,2005 年本科毕业于南京大学,2011 在南京大学获得博士学位,2011 年至 2016 年先后在美国哥伦比亚大学、加州大学洛杉矶分校任博士后和研究科学家。截止目前,已在 National Science Review、Nature Photonics、Physical Review Letters 扥等海内外期刊上发表 SCI 论文 40 余篇。
谢臻达告诉 DeepTech,在团队的设想中,无人机的好处就在于其有大的,也有小的;有飞得高的,也有飞得低的。将来他们将沿着两个不同的思路来继续推动这一研究:
一是 “往低空小型化走”。不断致力于推动无人机小型化,重量达到数百克甚至数十克,同时使其低空飞行,从而构建近距离的局域网,并逐步实现真正面向终端用户。
二是 “往高空远距离走”。利用技术将量子信号搭载到飞行在高空平流层的无人机上,高空因为空气比较稀薄干净,所以大大减少了空气损耗,从而能让信号传得更远,甚至可达到 “穿越几百公里”,在这基础上就能构建出一个广域网,进而满足城市省域乃至全国的信号需求。在本次实验中,光子的传输距离为 1 公里,但该团队表示若将无人机移动到更高的位置,将可传输 300 公里。
谢臻达介绍道,这种利用无人机构建的光学链路具有可扩展性,例如可以实现自由空间的高速激光通信,与现有的无线方式传播相比,其带宽更大,传播速度更快,这对 5G 甚至于将来的 6G 技术来说都非常重要。而且它还可以通过量子加密的方式,在保证大容量的信息传输的同时,还能达到很高的安全性。



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