近日，南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室祝世寧院士團(tuán)隊(duì)的謝臻達(dá)教授和龔彥曉教授課題組在《物理評(píng)論快報(bào)》上發(fā)表最新研究成果稱，該團(tuán)隊(duì)成功將光學(xué)中繼節(jié)點(diǎn)搭載于無人機(jī)平臺(tái)，并完成了首例移動(dòng)節(jié)點(diǎn)間的自由空間通信鏈路搭建與光學(xué)中繼量子糾纏分發(fā)，在朝著構(gòu)建無人機(jī)移動(dòng)量子信息網(wǎng)絡(luò)的方向上又跨出了關(guān)鍵一步。該研究論文同時(shí)入選了“編輯推薦”論文。
無論是經(jīng)典的信息系統(tǒng)還是量子的信息系統(tǒng)，構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)必須依靠中繼，要求中繼損耗小、保真度高。相比傳統(tǒng)光纖網(wǎng)絡(luò)，自由空間網(wǎng)絡(luò)受益于低傳輸損耗，是未來構(gòu)建全球化信息網(wǎng)絡(luò)的有力手段。然而，自由空間光傳輸卻會(huì)面臨衍射損耗的挑戰(zhàn)，隨著光的傳播，其波前會(huì)不斷擴(kuò)散。當(dāng)波前尺寸大于望遠(yuǎn)鏡的孔徑，光收集效率就會(huì)降低。想實(shí)現(xiàn)糾纏光子更遠(yuǎn)距離的傳輸，必須克服光的衍射帶來的損失。相比增大望遠(yuǎn)鏡口徑，利用光學(xué)中繼構(gòu)建光的準(zhǔn)直系統(tǒng)來重塑波前是一種更為廉價(jià)和靈活的方式。
論文通訊作者之一謝臻達(dá)告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，他們首次使用光學(xué)中繼以減少損耗，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，尤如百步穿楊，“可以想象實(shí)驗(yàn)難度之大”。
論文通訊作者之一龔彥曉介紹，通過光學(xué)中繼，糾纏光子分發(fā)的距離突破了小型光學(xué)系統(tǒng)的衍射限制，在分發(fā)距離1千米的情況下測(cè)得了2.59±0.11的CHSH S值，證明了這種光學(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。2020年，該團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次成功實(shí)現(xiàn)了基于無人機(jī)的糾纏光子分發(fā)，研究成果發(fā)表于《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》。
他進(jìn)一步解釋道，這種光學(xué)中繼可以用在以無人機(jī)構(gòu)建的量子信息網(wǎng)絡(luò)中，多臺(tái)無人機(jī)之間通過中繼交換量子信息，將信息傳得更遠(yuǎn)、散得更廣，并且能實(shí)現(xiàn)即搭即用的多節(jié)點(diǎn)移動(dòng)量子網(wǎng)絡(luò)，機(jī)動(dòng)靈活。
謝臻達(dá)希望，未來“通過更高巡航高度的無人機(jī)來實(shí)現(xiàn)300多公里的單鏈路連接，而不受大氣污染和天氣環(huán)境引起的光束畸變影響；而更廉價(jià)的小型無人機(jī)可以實(shí)現(xiàn)局域連接，甚至覆蓋行駛中的車輛。所有這些設(shè)備都可以鏈接到衛(wèi)星和光纖系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全球（量子）組網(wǎng)。
該項(xiàng)研究成果引起國(guó)外科學(xué)媒體和科學(xué)家的高度關(guān)注。美國(guó)《物理》評(píng)論文章認(rèn)為，該工作可以催生基于無人機(jī)的量子網(wǎng)絡(luò)，在城市和農(nóng)村地區(qū)上空實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)定位部署。英國(guó)倫敦帝國(guó)理工學(xué)院教授Myungshik Kim評(píng)論稱：“這是一項(xiàng)重大的技術(shù)進(jìn)步。”英國(guó)布里斯托爾大學(xué)教授Siddarth Joshi在接受《新科學(xué)家》采訪時(shí)評(píng)論：“這項(xiàng)成就標(biāo)志著邁向量子互聯(lián)網(wǎng)的重要一步。”
該項(xiàng)研究得到南京大學(xué)卓越計(jì)劃、江蘇省科技廳前沿引領(lǐng)項(xiàng)目、科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持，南智先進(jìn)光電集成技術(shù)研究院提供了重要的技術(shù)支撐。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.020503
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