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利用無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)量子糾纏分發(fā),構(gòu)建移動(dòng)量子通信網(wǎng)絡(luò)

2021-01-05 09:20 無(wú)人機(jī)之家

導(dǎo)讀:量子糾纏是一種發(fā)生于量子系統(tǒng)的獨(dú)特現(xiàn)象,是指當(dāng)量子力學(xué)中的幾個(gè)粒子在彼此相互作用后,各個(gè)粒子所擁有的特性已綜合成為整體性質(zhì),無(wú)法單獨(dú)描述。

不借助光纖網(wǎng)絡(luò)、不需要衛(wèi)星,利用無(wú)人機(jī),就可以實(shí)現(xiàn)量子糾纏的分發(fā),不受地域、天氣限制,迅速建立網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量的通信。從南京大學(xué)獲悉,該校祝世寧院士團(tuán)隊(duì)謝臻達(dá)、龔彥曉等在量子信息研究中取得突破,首次實(shí)現(xiàn)了基于無(wú)人機(jī)移動(dòng)平臺(tái)的量子糾纏分發(fā),該成果近日以“Drone-basedentanglementdistribuTIontowardsmobilequantumnetworks”為題,在線發(fā)表于《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》(NaTIonalScienceReview,NSR)。

量子糾纏是一種發(fā)生于量子系統(tǒng)的獨(dú)特現(xiàn)象,是指當(dāng)量子力學(xué)中的幾個(gè)粒子在彼此相互作用后,各個(gè)粒子所擁有的特性已綜合成為整體性質(zhì),無(wú)法單獨(dú)描述。量子糾纏分發(fā)是把制備好的兩個(gè)糾纏量子分別發(fā)送到相距很遠(yuǎn)的兩個(gè)點(diǎn),通過(guò)觀察兩個(gè)點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果來(lái)檢驗(yàn)量子糾纏的存在,是量子通信領(lǐng)域的重要研究?jī)?nèi)容,可以有效證明量子通信鏈路(從一個(gè)結(jié)點(diǎn)到相鄰結(jié)點(diǎn)的一段物理線路,中間沒(méi)有任何其他的交換結(jié)點(diǎn))的可靠性。

“此前,量子糾纏分發(fā)已在光纖鏈路以及衛(wèi)星和地面之間的自由空間鏈路中獲得成功。但這兩種鏈路的靈活性都受到一定限制?!敝x臻達(dá)解釋?zhuān)饫w鏈路可以利用現(xiàn)有光纖網(wǎng)絡(luò),但遠(yuǎn)距離傳輸受到光纖固有傳輸損耗的限制,且鏈路范圍受限于光纖網(wǎng)絡(luò)的鋪建;衛(wèi)星雖然能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸,但受到固定軌道約束,單顆衛(wèi)星對(duì)于固定的地面基站只能在有限時(shí)間內(nèi)建立連接,通信量受到限制,而由于量子通信點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的特性,要完成全時(shí)段和全球覆蓋,需要的衛(wèi)星資源十分龐大。

該團(tuán)隊(duì)提出以無(wú)人機(jī)等移動(dòng)平臺(tái)作為量子網(wǎng)絡(luò)的基本節(jié)點(diǎn),構(gòu)建移動(dòng)量子通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)想,成功完成了第一個(gè)基于無(wú)人機(jī)的量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn),并演示了其在白天、雨天等多氣象條件下工作的能力,為移動(dòng)量子通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和發(fā)展提出了一種新的方案。

謝臻達(dá)介紹,該實(shí)驗(yàn)的成功建立在多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新的基礎(chǔ)上?!耙皇歉咝阅芗苫孔蛹m纏光源。該光源重量?jī)H468克,比采用傳統(tǒng)技術(shù)的糾纏光源輕一個(gè)量級(jí)以上。二是可擴(kuò)展的光信號(hào)收發(fā)一體系統(tǒng)。該系統(tǒng)重量?jī)H3.7千克,首次實(shí)現(xiàn)了糾纏光源和自由空間單光子收發(fā)系統(tǒng)等關(guān)鍵量子通信器件的高度集成化、輕量化,實(shí)現(xiàn)了光鏈路可靠連接,使無(wú)人機(jī)搭載量子通信節(jié)點(diǎn)成為可能。該系統(tǒng)可以有效濾除太陽(yáng)光對(duì)于單光子傳輸?shù)母蓴_,使單光子接收不再局限在夜晚,而是可以在白天、雨天等多氣象條件下正常工作。三是質(zhì)量輕、載荷大、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)的純電動(dòng)無(wú)人機(jī)移動(dòng)平臺(tái)。無(wú)人機(jī)平臺(tái)起飛重量?jī)H35千克,可以在搭載10千克載荷情況下實(shí)現(xiàn)40分鐘續(xù)航,可適應(yīng)量子測(cè)量的苛刻要求。四是便攜式地面站系統(tǒng)。該配套系統(tǒng)以鋰電池組直流供電,重量小于8千克,折疊可放入挎包,隨身攜帶開(kāi)機(jī)即用?!?/p>

據(jù)悉,該研究經(jīng)歷兩年多時(shí)間,團(tuán)隊(duì)成員轉(zhuǎn)戰(zhàn)南京、石家莊、蘭州多地進(jìn)行實(shí)驗(yàn),對(duì)量子信息技術(shù)的實(shí)用化意義重大?!斑@種機(jī)載移動(dòng)量子通信平臺(tái)也可以通過(guò)高空無(wú)人機(jī)、高空氣球等多種載體構(gòu)建長(zhǎng)距離鏈路,并與現(xiàn)有的光纖和衛(wèi)星量子網(wǎng)絡(luò)連接,在廣闊天空中填補(bǔ)天地之間的空缺,解決不同層次的量子網(wǎng)絡(luò)全天候、廣覆蓋的問(wèn)題?!彼f(shuō)。

據(jù)悉,對(duì)于這一研究成果,科學(xué)美國(guó)人(ScienTIficAmerican)網(wǎng)站給與高度評(píng)價(jià),認(rèn)為量子通信的“下一個(gè)最佳選擇可能是相對(duì)便宜的無(wú)人機(jī)”