作者
劉華穎 田曉慧 範鵬飛 龔彥曉 謝臻達 祝世寧
無人機機動性強、靈活度高，成本較低，是構建多節點量子網路優異的候選者。科學家利用無人機平臺首次實現量子糾纏分發，在此基礎上，還在兩架飛行的無人機之間建立了光量子鏈路，為移動量子網路的構建開闢出一片天地。
量子資訊能實現很多經典資訊無法實現的功能，日益得到廣泛的重視，上升為國家戰略之一。量子資訊的實用化有賴於量子資訊的產生、調控和傳輸，與經典資訊網路類似，這需要量子網路的構建和覆蓋。
近年來，量子網路研究得到了長足發展，我國科學家已成功驗證了基於光纖和衛星的兩種光量子鏈路，多條基於光纖的地基光量子鏈路構建完成，並逐漸走向實用，基於衛星的天基量子鏈路也在實驗和執行之中［1］。
然而，光纖固有傳輸損耗限制了基於光纖的量子鏈路遠距離傳輸，且鏈路覆蓋範圍受限於光纖網路的鋪建；衛星雖然能實現遠距離傳輸，但是由於固定軌道的約束，單顆衛星只能在有限時間內和固定的地面基站建立連線，鏈路工作時間受到限制，並且由於量子鏈路點對點的特性，要完成全時段和全球覆蓋，需要龐大的衛星資源，僅僅依靠光纖和衛星量子鏈路不能滿足未來量子網路構建的全部需求。
在經典資訊網路中，人們透過光纖將光訊號從發射端引導到光纖鏈路的另一端，再繼續傳遞到下一條光纖鏈路中，如此反覆級聯，實現遠距離的網路互聯，構成全球組網的骨幹，然後透過移動裝置如手機連線到公共網路上構建行動網路，透過無線通訊技術訪問網際網路，廣泛、靈活覆蓋終端使用者。但量子網路的構建不能克隆經典網路技術，這是由於量子態不可複製，無法像經典資訊那樣，將資訊複製為多個副本並向四面八方廣播式傳輸，實現同時傳輸到多個移動終端節點。因此，探索新的方式構建移動量子網路勢在必行。
無人機：
構建量子網路的新寵
近年來，由於自動飛行控制系統和人工智慧方面的突破，無人機領域得到了爆炸性的發展［2］。目前，無人機的起飛重量可以從幾克到幾十噸，巡航高度從近地面到20多千米，最長飛行時間可達25天。選擇無人機構建量子網路，能夠充分發揮其型別的多樣性來滿足不同層次量子網路的需要。在低空區域，可以使用重量為幾千克的低空多旋翼迷你無人機，搭載整合化的量子器件，飛行在近地高度範圍，構建幾百至幾千米覆蓋範圍的局域移動量子網路。在高空區域，可以選擇長航時固定翼無人機，搭載大口徑的收發系統和各種量子資訊器件，飛行在平流層高度以上，構建廣域移動量子網路。採用無人機等移動平臺進行量子資訊的傳輸，為構建移動量子網路並實現終端連線提供了新的思路。
相比衛星和光纖鏈路，無人機平臺有其獨到的優勢。首先，作為一種可以遠端操控的飛行系統，無人機機動性強、靈活度高。相比於需要預先鋪設的光纖鏈路和受限於固定執行軌道的衛星鏈路，基於無人機的移動量子網路，可以發揮其機動靈活的優勢，將量子鏈路覆蓋到光纖或衛星難以到達的區域，也可以滿足各種緊急和突發狀況下的快速呼叫需求。其次，相較於造價高昂的衛星和需要大範圍鋪設的光纖量子鏈路，無人機平臺的生產、使用和維護成本較低，對於需大量節點的量子網路和特定應用場景，無人機無疑是一種高性價比的選擇。
綜合來看，利用無人機等平臺構建移動量子網路，可以發揮其機動靈活、成本低廉、組網迅速等優勢，與已有的光纖（地基）、衛星（天基）量子鏈路功能互補，推動實現任意地點、全時段、全天候的量子網路覆蓋。
但是，無人機特別是小型無人機，它的載荷與尺寸、重量與功耗等都受到嚴格限制，難以搭載常規量子器件。因此，量子器件亟需小型化、晶片化。
自1980年代開始，我國科學家致力於將光學微結構材料應用於非線性光學、量子光學、微納光學等多個領域，成功研製出首個基於鈮酸鋰材料的光量子整合晶片，實現了多種光學器件的整合化，為研製能滿足無人機平臺需求的整合化光學系統打下基礎。
從0到1的突破：
無人機實現量子糾纏分發
作為基於無人機平臺的移動量子網路的第一個原理驗證性實驗，我們提出了利用無人機實現到地面基站的量子糾纏分發的實驗構想，簡單來說就是將無人機上搭載的一對糾纏光子分別傳送到地面端的兩個獨立基站。要完成這個實驗，首先需要製備一套無人機可搭載的輕量化整合量子糾纏光源，在此基礎上構建基於無人機的飛行移動量子平臺，最後再構建地面的接收基站，完成糾纏態的測量。
量子糾纏
量子糾纏是量子力學系統裡一種獨特的現象。處於糾纏態的兩個光子，它們的狀態存在關聯，當測量得到其中一個光子的狀態時，另一個的狀態也會瞬時確定。類似於同時拋擲兩枚硬幣，如果這兩枚硬幣之間不存在糾纏，當我們只看到其中一枚的狀態時，是無法確定另一枚的狀態的；但如果它們之間存在糾纏，只要觀察到其中一枚的狀態，就能得知另一枚的狀態。例如，如果我們製備硬幣A、B同時正面朝上或同時反面朝上的糾纏態，那麼，同時拋擲A、B後，如果我們觀察到A正面朝上，可知B必然正面朝上；如果A反面朝上，那麼B也一定反面朝上。最神奇的是，這種關聯性不會受到兩枚硬幣之間距離遠近的影響。因此，利用量子糾纏原理，透過合適的測量手段，就可以把一個光子的狀態完美地傳遞到遠處的另一個光子上。
所謂量子糾纏分發，就是把製備好的兩個糾纏光子分別傳送到相距很遠的兩個點，透過觀察兩個點的測量結果來檢驗量子糾纏的存在。利用量子糾纏分發，可以有效證明基於無人機構建量子鏈路的可行性。
糾纏光子對產生的方法有很多，自發參量下轉換是現在最常用也最成熟的方法之一。簡單來說，就是利用一種二階非線性晶體將光子分裂成一對光子，這對光子的總能量與總動量和分裂前光子的能量與動量相等，在這對光子之間就存在量子糾纏。
飛行移動量子平臺
透過在整合光學方面的多年研究，我們以光學超晶格為核心元件，研製出可用於分發的整合化量子糾纏光源，它由緊湊的波長為405奈米的光源和波長為810奈米的偏振糾纏光源組成，總質量僅為468克，比利用傳統光學元件搭建的糾纏光源輕數十倍［3］。同時，糾纏光子對的產率達到5×105對/秒，測得CHSH不等式［Bell不等式的一種，由克勞澤（J。 Clauser）、霍恩（M。 Horne）、希莫尼（A。 Shimony）、霍爾特（R。 Holt）四人提出，是判斷量子糾纏的一種常用標準，當不等式的值大於2時系統存在量子糾纏］的S值達到2。8070±0。006，非常接近2。828的理論極限，這說明該光源具有超高的亮度和優異的糾纏效能。
此外，我們成功研製出輕量、快速的高精度捕獲、指向和跟蹤（acquisition， pointing and tracking， APT）系統，僅3。75千克，跟蹤精度達0。1微弧度。利用該系統可實現量子光鏈路的可靠連線。由於無人機上搭載的發射端望遠鏡口徑和地面接收端望遠鏡的口徑是一致的，因此該系統具備極高的可擴充套件性，可用於級聯的光子傳輸。包括所有電子儀器在內，整套糾纏分發系統的總質量控制在11。8千克。將該系統搭載於續航時間40分鐘、最大載重量15千克的高穩定性八旋翼無人機上，成功構建了首個飛行移動量子平臺。
基於無人機的量子糾纏分發
以這個飛行移動量子平臺為基礎，我們完成了首個基於移動平臺的量子糾纏實驗。具體來說，主要完成了如下的實驗：將糾纏光源搭載於飛行的無人機上，透過兩個發射系統將一對糾纏光子分別向地面兩個接收基站傳輸，兩個基站對接收到的光子分別進行投影測量，再透過符合測量實現貝爾測試，以驗證糾纏的光子在分發到地面端後，糾纏特性仍舊得到了保持，進而證明我們實現了移動量子鏈路的成功搭建。得益於該平臺極高的信噪比，可在白天、晴朗或小雨夜晚進行量子糾纏分發，測得CHSH不等式的S值最高達到2。49±0。06［4］。這說明糾纏光子經過該無人機平臺分發後，其糾纏特效能繼續保持，搭建了有效的量子鏈路。同時也證明該系統具備較高可靠性，以及在多種氣象條件下工作的能力，滿足未來全天候量子網路的執行需求。
基於無人機的量子糾纏分發示意
無人機節點透過移動鏈路將一對糾纏光子傳送到Alice和Bob兩基站，間距200米。
從1到2的跨越：
無人機實現光學中繼量子糾纏分發
首個基於無人機的糾纏分發實驗，從原理上驗證了無人機平臺構建量子鏈路的可行性，並展示了其在複雜氣象環境下的工作能力，實現了移動平臺量子鏈路從無到有的突破。但建立實用的移動量子網路，仍面臨許多挑戰。
首先，自由空間光子的傳輸存在衍射損耗。儘管在瑞利距離（Rayleigh length）內，可以實現無損的光子傳輸，但是在瑞利距離以上，隨著傳輸距離的增加，衍射損耗會逐漸增大，從而導致成位元速率降低、噪聲增加，限制了量子鏈路的最大傳輸距離。我們可以透過使用口徑更大的望遠鏡、增大光束口徑、增加瑞利距離，來降低衍射損耗，但這需要更大更重的光學元件，導致系統複雜度增加和成本上升。對於未來的多節點量子網路，這個問題尤其致命。
其次，量子鏈路中透過光子傳輸資訊，所以僅能實現點對點的鏈路構建。為了實現多使用者、大範圍覆蓋的量子網路，需構建多節點分散式量子網路架構。
此外，低空的自由空間量子鏈路，不可避免會受到天氣變化和大氣汙染等環境因素的影響。
針對上述問題，我們提出了搭建光學中繼系統的想法。利用損耗小、保真度高的光中繼系統，透過多個節點級聯連線，將一個長的直接鏈路分割為多個相對短的鏈路。只要將這些鏈路的長度控制在瑞利距離內，就可大大降低衍射損耗，避免光傳輸過程中衍射損耗導致的成位元速率降低和噪聲增加，在保證安全性的前提下，以較高的傳輸速率實現長距離量子資訊傳輸。相比增大光束口徑降低衍射損耗，這種辦法成本低廉，更具可行性和實用性。基於光中繼技術，可以利用大量靈活機動的無人機節點建立一個移動量子網路，動態最佳化節點位置，避開不良天氣和障礙物進行光學連線，大大提升量子網路覆蓋能力。因此，我們設計了首個基於自由空間光學中繼糾纏分發實驗，以驗證該技術的可行性。
基於自由空間光學中繼糾纏分發實驗概念圖
（a）糾纏光源搭載於無人機1（糾纏分發節點）上，產生的糾纏光子對，其中一個直接傳送到地面Alice端，另一個傳送到無人機2（光學中繼節點），其收發裝置對接收到的光子束重新整形並準直後，發射到Bob端。（b）瑞利距離內光束衍射損耗可以忽略。圖中每條鏈路的長度都控制在瑞利距離內，即可突破衍射損耗的限制，降低鏈路的總傳輸損耗。（c）利用大量靈活機動的無人機節點建立移動量子網路。［3］
該實驗在兩架飛行的無人機之間建立光量子鏈路，需要更精準的光學系統，以保證光子無損地從一架無人機發射至另一架，並在接收後再發射出去。這對光的發射、接收精度和對準精度都有很高要求，難度好似“百步穿楊”。且由於整個鏈路都需要在飛行狀態下保持效能，故對整套電學系統和飛行系統的精度和穩定性也有很高要求。
為此，我們進一步提升了整套光學系統的效能，同時大幅提升了跟瞄系統的跟蹤精度和速度。此外，開發了實現光學中繼所需的整套中繼節點裝置。最終，透過光中繼技術，在兩個地面基站距離達到1千米的前提下，將單個量子鏈路的距離控制在400米以下，完成了基於無人機平臺的光中繼量子糾纏分發實驗。該距離在整套光學系統的瑞利衍射極限距離676米之內，衍射損耗可以忽略不計並保證了糾纏光子的高效傳輸。實驗測得CHSH不等式的S值為2。59±0。11，說明糾纏光子在經過光中繼鏈路後仍保持優異的糾纏特性，證明了這種光中繼鏈路的有效性。從而實現了無人機量子節點從1到2的突破，為構建可擴充套件的多節點移動量子網路打下了基礎。
展 望
我們實現了首個基於無人機移動平臺之間的量子鏈路，它可以在多種氣象條件下工作，並在此基礎上實現了光中繼的糾纏分發實驗，且嘗試了移動量子鏈路距離從百米到千米級的提升。未來，隨著各機載系統的進一步整合化，例如現有的輕量化偏振糾纏光源可發展為以晶片為基礎的片上糾纏光源［5］；跟瞄系統裡的望遠鏡系統可根據鏈路長度、載荷等要求改進為更緊湊、光束更小的系統，裝入迷你無人機中，就可以發展用於局域量子網路的通訊。
利用無人機從局域到廣域尺度的移動量子網路方案示意
對於區域網絡，即插即用的無人機節點可以迅速建立移動節點和固定節點之間的連線；而對於廣域網路，高空無人機可以建立多節點移動鏈路，這是對衛星和光纖網路的重要補充。［3］
當然，也可以透過將移動量子節點裝載到高空無人機上，來實現廣域覆蓋。透過選取無人機機載能力範圍內合適的光束孔徑，在平流層的地球曲率極限內建立長距離通訊。這種可擴充套件的移動量子網路對於實現多個時空尺度的全面覆蓋至關重要。更長遠地看，移動平臺的量子網路可以與已有的地基（光纖）、天基（衛星）量子鏈路功能互補，構建實用化的量子網際網路。
［本文相關工作得到南京大學卓越計劃、江蘇省科技廳前沿引領專案、科技部國家重點研發計劃、國家自然科學基金等專案的支援，南智先進光電整合技術研究院提供了重要技術支撐。］
Liu Huaying， Postdoctor： School of Physics， Nanjing University； Tian Xiaohui， Postdoctor： School of Electronic Science and Engineering， Nanjing University； Fan Pengfei， Doctoral Candidate； Gong Yanxiao， Professor： School of Physics， Nanjing University； Xie Zhenda， Professor： School of Electronic Science and Engineering， Nanjing University； Zhu Shining， Academician of Chinese Academy of Sciences： National Laboratory of Solid State Microstructure， Nanjing 210093。
Chen Y A， Zhang Q， Chen T Y， et al。 An integrated space-to-ground quantum communication network over 4600 kilometres。 Nature， 2021， 589： 214-219。
Hassanalian M， Abdelkefi A。 Classifications， applications and design challenges of drones： A review。 Progress in Aerospace Sciences， 2017， 91： 99-131。
Liu H Y， Tian X H， Gu C， et al。 Optical-Relayed Entanglement Distribution Using Drones as Mobile Nodes。 Physical Review Letters， 2021， 126（2）： 020503。
Liu H Y， Tian X H， Gu C， et al。 Drone-based entanglement distribution towards mobile quantum networks。 National Science Review， 2020， 7（5）： 921-928。
Jin H， Liu F M， Xu P， et al。 On-chip generation and manipulation of entangled photons based on reconfigurable lithium-niobate waveguide circuits。 Physical Review Letters， 2014， 113： 103601。
關鍵詞：量子鏈路 量子網路 量子糾纏分發 光學中繼 無人機 ■
END
本文刊載於2021年第73卷第6期《科學》雜誌（P35）
《科學》雜誌於1915年1月在上海問世，
早年由任鴻雋，楊杏佛，胡明覆，趙元任等學者編輯寫作，
是我國曆史最長的綜合性科學刊物。
雜誌定位為高階科普期刊，致力於科學知識、理念和科學精神的傳播，科學與人文互動，歷史和前沿並舉，為提升我國全民科學素質和建設創新型國家服務。雜誌現任主編為中國科學院院士白春禮先生，主辦單位為上海科學技術出版社有限公司。
部分圖片來源於pixabay，文章版權歸科學雜誌所有
此色塊為轉載宣告連結，轉載請先閱讀
《科學》2021年第
73
卷第
6
期已出版發行
別忘了點贊 / 加關注哦！