說到無人機，很多人會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、深圳經濟特區建立 40 周年之際城市上空的精彩表演……其實，無人機還出現在眾多我們不曾留意或涉足的場景，在快遞運輸、軍事偵查、救災、測繪、電力巡檢等領域發揮效用。

就在最近，一組南京大學的科學家讓我們發覺，無人機竟還能與“移動量子網絡構建”有所關聯——一個基于無人機的小型量子網絡原型成功地將量子信號傳遞到了 1 公里外的自由空間。

“猶如百步穿楊”

2021 年 1 月 15 日，相關論文以 Optical-relayed entanglement distribution using drones as mobile nodes（具有無人機移動節點光學中繼的糾纏分發）為題發表于物理學旗艦刊物《物理評論快報》（Physical Review Letters）。

這一論文來自于南京大學固體微結構物理國家重點實驗室祝世寧院士團隊謝臻達教授、龔彥曉教授課題組。

課題組在兩架距離為 200 米的無人機和地面之間構建了一個小型量子通信網絡。這兩架無人機各重 35 公斤，一個用于分配糾纏光子，另一個用作中繼節點。

下圖所展現的便是基于移動無人機節點的量子網絡和物理實現過程。

所謂“中繼”，就是兩個交換中心之間的一條傳輸通路（類似無線移動通信中的基站），這一概念最早由 19 世紀末的丹麥數學家 Erlang 提出。

實際上，課題組在節點之間使用中繼收發器，是一種經濟的解決方案，它可使每個鏈路的距離保持在瑞利距離（Rayleigh length，光學領域概念，指光束沿著其行進方向，從其腰部到其面積為腰部面積 2 倍時的截面的距離）內，從而使衍射損耗最小。

南京大學在新聞稿中提到：

信息系統（無論是經典的還是量子的）要構造網絡必須要依靠中繼，對中繼的要求，一是要損耗小，二是要保真度高。這次的實驗首次使用了光學中繼，并將光學中繼的節點放到了處于飛行狀態的小型無人機上，在數千克的載荷限制內實現單光子的高精度跟瞄接收和重新發射。

官方更是用了“百步穿楊”一詞生動描述了這一過程。

糾纏的光子對

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

量子糾纏是指：幾個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，無法單獨描述。作為量子力學領域的基本現象之一，量子糾纏可被簡單理解為兩個粒子相互作用并瞬間共享其物理狀態，即“一生俱生，一滅俱滅”。

當年，在眾多物理學大佬出席的索爾維物理學會議上，以愛因斯坦為代表的量子力學懷疑者和以波爾為代表的量子力學阿本哈根學派進行了一場跨越數年的物理學領域巔峰對決，最終這場交鋒能畫上句號，也是因為量子糾纏。

【1927 年索爾維物理學會議期間的神仙大合照】

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

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！

實驗中，課題組所做的設計是，讓兩架無人機分別向地面兩個相距 1 公里的地面站 Alice 和 Bob 發送光子。Alice 記錄了無人機 1 向其發射的約 25% 的光子，Bob 則記錄了向它發射的大約 4% 的光子。

隨后，科學家們測得了高保真度的具有糾纏特性的光子對——光子對以 2.59±0.11 的 CHSH S 值實現了糾纏分布。

結果表明，南京大學這種基于無人機的光學中繼高度保持了光子對的糾纏特性，是一種有效的量子鏈路。

無人機，優勢在哪？

針對上述研究，美國《物理》雜志（Physics）也在當天發布了一篇題為 Quantum Drones Take Flight（量子無人機起飛）的評論性文章。

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目的地之前就會散射掉。

二是衛星。

其實我國在量子衛星方面已走在世界前列：2016 年 8 月 16 日凌晨 1 時 40 分，酒泉衛星發射中心，世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”發射升空，我國成為世界首個實現太空和地面之間量子通信的國家。

但在《物理》雜志看來：

衛星既昂貴又難以適應地面上不斷變化的需求。

相比較而言，攜帶光學設備的小型無人機提供的解決方案則靈活得多。

論文通訊作者之一、南京大學電子科學與工程學院教授、博導謝臻達曾表示：

無人機可以不受時空限制進行移動量子連接。與固定發射塔不同，無人機還可四處移動，避開污染或霧霾。

首個無人機糾纏光子分發

雷鋒網注意到，南京大學在官方新聞稿中表示，去年課題組就曾實現了世界首個基于單一無人機的糾纏光子分發，研究成果發表于中國出版的國際刊物《國家科學評論》（National Science Review）上。

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

當時課題組的設計是，用一架無人機中分別向兩個地面站 Alice 和 Bob 分別發送光子，兩個地面站相距 200 米，都配備了一架 26 毫米口徑的望遠鏡和一個單光子探測器。

當然，課題組必須考慮光的一個固有屬性衍射，因為它會帶來損耗。基于此，為了保證糾纏光子更遠距離的傳輸，課題組要做的就是構建光的準直系統。

于是在此次的研究中，作為第一架無人機和兩個地面站之間的中繼，第二架無人機出現在了實驗中。

可見，課題組在朝著構建無人機移動量子信息網絡的方向上，跨出了關鍵一步。

就未來而言，謝臻達教授也有幾點展望：

利用更高巡航高度的無人機實現 300 公里以上的單鏈路連接，不受大氣污染和天氣環境引起的光束畸變影響。

利用更廉價的小型無人機實現局域連接，甚至覆蓋行駛中的車輛。

將設備鏈接到衛星和光纖系統，實現全球量子組網。

期待聽到南京大學在量子組網領域的更多好消息。

責任編輯：haq