文｜杜晨 編輯｜Vicky Xiao

量子計(jì)算、通訊、加密——這些技術(shù)名詞聽起來(lái)還很高大上，離進(jìn)入平常百姓的生活還很遠(yuǎn)。

不過，借助無(wú)人機(jī)的力量，最近量子通訊移動(dòng)組網(wǎng)方面取得一次關(guān)鍵進(jìn)展。而獲得這個(gè)進(jìn)展的主角是一所國(guó)內(nèi)大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)——南京大學(xué)團(tuán)隊(duì)。該團(tuán)隊(duì)首次使用光學(xué)中繼，減少信號(hào)損耗，還將中繼節(jié)點(diǎn)放到了載荷只有幾千克的小型無(wú)人機(jī)上。

這一進(jìn)展，有望在未來(lái)使得無(wú)人機(jī)組網(wǎng)的量子通訊成為可能。

包括美國(guó)物理學(xué)會(huì)和中國(guó)《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》(National Science Review) 等在內(nèi)的國(guó)際權(quán)威機(jī)構(gòu)和期刊，近日刊登了南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的論文 Optical-Relayed Entanglement Distribution Using Drones as Mobile Nodes.

論文詳細(xì)介紹了該團(tuán)隊(duì)最近的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，首次將光學(xué)中繼的節(jié)點(diǎn)放到了出于飛行狀態(tài)的小型無(wú)人機(jī)上，在分發(fā)距離1公里的情況下，仍然高度保持了光子對(duì)的糾纏特性，證明了量子鏈路的有效性。

常規(guī)的電子通訊采用電或波信號(hào)，通過光纖或空氣傳播，而量子通訊作為目前最前沿的通訊技術(shù)方向，其工作原理是量子的糾纏效應(yīng)，也即兩個(gè)粒子在彼此相互作用后成為糾纏粒子，分別放在通信的雙方，對(duì)其中一個(gè)粒子進(jìn)行測(cè)量便可立即得知另一個(gè)粒子的狀態(tài)。因?yàn)檫@種效應(yīng)，量子通訊幾乎無(wú)法被截取和竊聽，可以被用于加密通訊。

此前，自由空間內(nèi)的光量子通訊，已經(jīng)在距離超過1000千米的衛(wèi)星和地面站之間成功實(shí)現(xiàn)。不過衛(wèi)星的造價(jià)和運(yùn)維昂貴，難以適應(yīng)地面上隨時(shí)發(fā)生、不斷變化的需求，通信量較低，如果要實(shí)現(xiàn)更大范圍更長(zhǎng)時(shí)間的覆蓋，需要全球衛(wèi)星組網(wǎng)。

而在固網(wǎng)量子通訊方面，光纖可以用于遠(yuǎn)距離傳輸，但鏈路范圍受限于光纖網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，并且光纖也有傳輸損耗，同樣需要中繼點(diǎn)。

而南大團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)研究證明了，采用相對(duì)更為廉價(jià)的小型無(wú)人機(jī)等設(shè)備，完全可以在相對(duì)更近的距離內(nèi)組建量子通訊網(wǎng)絡(luò)，并且由于無(wú)人機(jī)的可移動(dòng)性，組網(wǎng)可以更加靈活，網(wǎng)絡(luò)的可用性也比衛(wèi)星量子通訊更高（衛(wèi)星通訊存在窗口限制）。

南大學(xué)生劉華穎、田曉慧、范鵬飛、顧昌晟等人為本論文的共同第一作者，固體微結(jié)構(gòu)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室謝臻達(dá)、龔彥曉、祝世寧教授等人為共同通訊作者。

在去年年初的前序?qū)嶒?yàn)中，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)證明了無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)在雨天等多種氣象條件下工作的能力。結(jié)合該團(tuán)隊(duì)在量子糾纏光源制備技術(shù)突破的基礎(chǔ)上，本次研究又實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新。

謝臻達(dá)教授透露，這次實(shí)驗(yàn)采用的量子糾纏光源重量只有468克，加上光信號(hào)收發(fā)一體系統(tǒng)，重量?jī)H3.7千克，最終，單架無(wú)人機(jī)的起飛重量只有35千克左右。這一實(shí)驗(yàn)，在自由空間光量子通訊領(lǐng)域內(nèi)，首次實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵器件的高度集成化、輕量化，并且實(shí)現(xiàn)了光鏈路可靠連接。

簡(jiǎn)單來(lái)說，在無(wú)人機(jī)A上，量子糾纏分發(fā)系統(tǒng)采用水晶將一枚光子分裂成一對(duì)糾纏的光子，其中一枚發(fā)送給距離400米的地面站1，另一枚通過距離200米的中繼無(wú)人機(jī)B，發(fā)送給和B距離400米的地面站2。整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的橫跨長(zhǎng)度為1千米。

為了解決自由空間光量子通訊常見的光衍射導(dǎo)致的損失，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一套光的準(zhǔn)直系統(tǒng)，在無(wú)人機(jī)B上重塑接收到光子的波前，使得光子能以更高效率被中繼，讓地面站更容易光測(cè)到。

團(tuán)隊(duì)進(jìn)行測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)地面站收到的光子能夠保持糾纏特性（CHSH S值為2.59±0.11），證明了整個(gè)系統(tǒng)雖然相對(duì)低成本，但在小巧、靈活的基礎(chǔ)上，仍然能夠達(dá)成量子通訊的基準(zhǔn)目標(biāo)。

謝臻達(dá)表示，希望未來(lái)能夠通過高空無(wú)人機(jī)、氣球等更多種類的平臺(tái)，構(gòu)建更長(zhǎng)距離（300公里）的通訊鏈路。除了拉長(zhǎng)通訊距離之外，這樣做還可以改善自由空間光量子通訊在不同天氣和污染情況下的通訊質(zhì)量。

前面提到，當(dāng)下的量子通訊要么在純地面（光纖），要么在地面-太空（衛(wèi)星）完成。而南大團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)研究，獲得了不少國(guó)際上的量子通訊專家的贊賞。大多數(shù)人都認(rèn)為這項(xiàng)研究填補(bǔ)了兩者之間的空白，讓更大范圍的量子通訊組網(wǎng)成為可能。

想象在未來(lái)，那些有量子通訊需求的用戶，不再需要等待衛(wèi)星通訊窗口，或者必須要前往特定的地面光纖通訊站——只用無(wú)人機(jī)，即可隨時(shí)隨地完成組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)通訊。

屆時(shí)的量子通訊網(wǎng)絡(luò)，鏈接結(jié)構(gòu)可能是這樣的：用戶端設(shè)備——布滿低空的小型無(wú)人機(jī)——高空無(wú)人機(jī)和氣球——量子通訊衛(wèi)星+地面光纖系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)全球量子通訊組網(wǎng)。