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)謝臻達(dá)教授、龔彥曉教授課題組在量子信息研究中的最新進(jìn)展以“Optical-relayed entanglement distribution using drones as mobile nodes”（具有無(wú)人機(jī)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)光學(xué)中繼的糾纏分發(fā)）為題發(fā)表在物理學(xué)旗艦刊物《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters，126, 020503 (2021)）上，并入選了“編輯推薦”論文。國(guó)際三大專(zhuān)業(yè)科學(xué)媒體，美國(guó)物理學(xué)會(huì)的《物理》（Physics），美國(guó)《科學(xué)新聞》（Science News）和英國(guó)《新科學(xué)家》（New Scientist）也在文章上線的第一時(shí)間發(fā)表評(píng)論，對(duì)該項(xiàng)進(jìn)展進(jìn)行了報(bào)道，對(duì)其重要意義進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

信息系統(tǒng)（無(wú)論是經(jīng)典的還是量子的）要構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)必須要依靠中繼，對(duì)中繼的要求，一是要損耗小，二是要保真度高。這次由南京大學(xué)完成的無(wú)人機(jī)糾纏光子分發(fā)實(shí)驗(yàn)光路中首次使用了光學(xué)中繼以減少損耗，并且將光學(xué)中繼的節(jié)點(diǎn)放到了處于飛行狀態(tài)的小型無(wú)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)的難度之大。通過(guò)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。該團(tuán)隊(duì)去年曾報(bào)道在國(guó)際上首次成功實(shí)現(xiàn)了基于無(wú)人機(jī)的糾纏光子分發(fā)，該工作發(fā)表在我國(guó)出版的國(guó)際刊物《National Science Review》（vol7.921(2020)）。這一次的進(jìn)展使得他們?cè)诔�著�?gòu)建無(wú)人機(jī)移動(dòng)量子信息網(wǎng)絡(luò)的方向上又向前跨出了關(guān)鍵一步。

美國(guó)《物理》（Physics）評(píng)論文章的題目是：“量子無(wú)人機(jī)組正在起飛(Quantum Drones Take Flight)”。評(píng)論指出：“世界上已有一些團(tuán)隊(duì)正在研究無(wú)人機(jī)通信系統(tǒng)，而這個(gè)團(tuán)隊(duì)去年就實(shí)現(xiàn)了單一無(wú)人機(jī)與兩個(gè)地面站之間的量子連接。但為了實(shí)現(xiàn)糾纏光子更遠(yuǎn)距離的傳輸，必須克服光本身的固有屬性—光的衍射帶來(lái)的損失，這就要構(gòu)建光的準(zhǔn)直系統(tǒng)。”文中介紹，“該研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)采用光學(xué)中繼的方法解決衍射損耗這一自由空間光量子傳輸?shù)暮诵膯?wèn)題，采用了增加第二架無(wú)人機(jī)，作為第一架無(wú)人機(jī)和地面站之間的中繼，通過(guò)中繼過(guò)程重塑了光子的波前，從而使光子能以更高效率進(jìn)入地面站上的望遠(yuǎn)鏡�！蔽恼逻�認(rèn)為 “衛(wèi)星價(jià)格昂貴而且難以適應(yīng)地面上不斷變化的需求”，而“攜帶光學(xué)設(shè)備的小型無(wú)人機(jī)可以提供一種靈活的解決方案，在量子網(wǎng)絡(luò)中鏈接多個(gè)用戶”，“該工作可以催生基于無(wú)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)的《新科學(xué)家》雜志則評(píng)價(jià)，在這個(gè)工作中，人們首次實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)節(jié)點(diǎn)間自由空間量子鏈路的搭建，作者援引倫敦帝國(guó)理工學(xué)院Myungshik Kim的評(píng)論指出：“將如此復(fù)雜的光學(xué)器件集成進(jìn)移動(dòng)的無(wú)人機(jī)，在移動(dòng)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)量子連接，這無(wú)疑增加了實(shí)現(xiàn)難度，這是一項(xiàng)重大的技術(shù)進(jìn)步。”

展望未來(lái)，這種光學(xué)中繼可以用在以無(wú)人機(jī)構(gòu)建的量子信息網(wǎng)絡(luò)中，多臺(tái)無(wú)人機(jī)之間通過(guò)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。美國(guó)《科學(xué)新聞》評(píng)論認(rèn)為：“人們可能會(huì)通過(guò)無(wú)人機(jī)接入量子互聯(lián)網(wǎng)…將來(lái)無(wú)人機(jī)機(jī)群可以協(xié)同工作，將糾纏光子發(fā)送到各個(gè)位置的接收者。英國(guó)布里斯托爾大學(xué)Siddarth Joshi在接受《新科學(xué)家》雜志采訪時(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…當(dāng)你在開(kāi)車(chē)過(guò)程中想要保持安全的量子通信，這些無(wú)人機(jī)可以在你車(chē)后飛來(lái)飛去（以保持連接）。

論文通訊作者之一謝臻達(dá)表示，希望未來(lái)“通過(guò)更高巡航高度的無(wú)人機(jī)來(lái)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(wú)人機(jī)可以實(shí)現(xiàn)局域連接，甚至覆蓋行駛中的車(chē)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)。

這項(xiàng)工作完成涉及南京大學(xué)一個(gè)跨學(xué)科的團(tuán)隊(duì)，許多老師和研究生都參與其中做出了重要貢獻(xiàn)。博士生劉華穎、田曉慧、范鵬飛，碩士生顧昌晟為論文的共同第一作者，謝臻達(dá)、龔彥曉、祝世寧為共同通訊作者。該項(xiàng)研究得到了南京大學(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)鏈接：1. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.020503 

2. https://physics.aps.org/articles/v14/7