首次实现!南京大学基于无人机的量子纠缠分发!

首次实现!南京大学基于无人机的量子纠缠分发!

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什么是量子通信?

所谓量子通信是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式,是近二十年发展起来的新型交叉学科,是量子论和信息论相结合的新的研究领域。

量子通信主要涉及:量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等,近来这门学科已逐步从理论走向实验,并向实用化发展。高效安全的信息传输日益受到人们的关注。基于量子力学的基本原理,并因此成为国际上量子物理和信息科学的研究热点,被誉为是未来通信的“机密武器”。

图 |量子通信概念图 来源网络

光量子通信主要基于量子纠缠态的理论,使用量子隐形传态(传输)的方式实现信息传递。经典通信较光量子通信相比,其安全性和高效性都无法与之相提并论。安全性-量子通信绝不会“泄密”,其一体现在量子加密的密钥是随机的,即使被窃取者截获,也无法得到正确的密钥,因此无法破解信息;其二,分别在通信双方手中具有纠缠态的2个粒子,其中一个粒子的量子态发生变化,另外一方的量子态就会随之立刻变化,并且根据量子理论,宏观的任何观察和干扰,都会立刻改变量子态,引起其坍塌,因此窃取者由于干扰而得到的信息已经破坏,并非原有信息。高效,被传输的未知量子态在被测量之前会处于纠缠态,即同时代表多个状态,例如一个量子态可以同时表示0和1两个数字, 7个这样的量子态就可以同时表示128个状态或128个数字:0~127。高效性-光量子通信的这样一次传输,就相当于经典通信方式的128次。可以想象如果传输带宽是64位或者更高,那么效率之差将是惊人的。

南京大学首次实现基于无人机的量子纠缠分发,有望实现更高质量的通信

一架重约35千克的八轴旋翼无人机缓缓升空,当升至几十米的高度时,分别向100米外的地面A、B两点射出一对纠缠光子,两个光子在历经大气湍流、雨水、阳光等干扰后,仍能几乎完好地抵达地面。

不借助光纤网络、不需要卫星,利用无人机,就可以实现量子纠缠的分发,不受地域、天气限制,迅速建立网络,实现更高质量的通信。

日前,记者从南京大学获悉,该校祝世宁院士团队谢臻达、龚彦晓等在量子信息研究中取得突破,首次实现了基于无人机移动平台的量子纠缠分发,该成果近日以 “Drone-based entanglement distribution towards mobile quantum networks”为题,在线发表于《国家科学评论》(National Science Review, NSR)。

图 |《国家科学评论》论文截图 源自网络

“此前,量子纠缠分发已在光纤链路以及卫星和地面之间的自由空间链路中获得成功。但这两种链路的灵活性都受到一定限制。”团队研究成员之一、南京大学教授谢臻达解释,光纤链路可以利用现有光纤网络,但远距离传输受到光纤固有传输损耗的限制,且链路范围受限于光纤网络的铺建;卫星虽然能够实现远距离传输,但受到固定轨道约束,单颗卫星对于固定的地面基站只能在有限时间内建立连接,通信量受到限制,而由于量子通信点对点的特性,要完成全时段和全球覆盖,需要的卫星资源十分庞大。

“用无人机进行量子纠缠分发,具有机动快速、按需组网、易于扩展、成本低廉的特点。”中国科学院院士、南京大学教授祝世宁说。

图 |团队调试无人机中 源自网络

该团队提出以无人机等移动平台作为量子网络的基本节点,构建移动量子通信网络的设想,成功完成了第一个基于无人机的量子纠缠分发实验,并演示了其在白天、雨天等多气象条件下工作的能力,为移动量子通信网络的构建和发展提出了一种新的方案。

团队研究成员之一、南京大学教授谢臻达介绍,该实验的成功建立在多项技术创新的基础上。

1.性能集成化量子纠缠光源

该光源重量仅468克,比采用传统技术的纠缠光源轻一个量级以上。

2.可扩展的光信号收发一体系统

该系统重量仅3.7千克,首次实现了纠缠光源和自由空间单光子收发系统等关键量子通信器件的高度集成化、轻量化,实现了光链路可靠连接,使无人机搭载量子通信节点成为可能。该系统可以有效滤除太阳光对于单光子传输的干扰,使单光子接收不再局限在夜晚,而是可以在白天、雨天等多气象条件下正常工作。

3.质量轻、载荷大、续航时间长的纯电动无人机移动平台。

无人机平台起飞重量仅35千克,可以在搭载10千克载荷情况下实现40分钟续航,可适应量子测量的苛刻要求。四是便携式地面站系统。该配套系统以锂电池组直流供电,重量小于8千克,折叠可放入挎包,随身携带开机即用。

图 |无人机的夜间实验 源自网络

从2017开始,研究团队便辗转南京、石家庄、兰州做实验,最终,他们实现了基于无人机的量子纠缠分发。这架八轴旋翼无人机,可以搭载10千克的量子通信系统,在空中分别向100米外的A、B两个便携式地面站发送光子,测量结果显示,A、B两点光子纠缠态的贝尔不等式S值达到2.49,量子纠缠分发获得成功。

“我们的实验结果证明传输链路稳定,损耗比较低。”谢臻达说,量子纠缠分发是量子通信的重要手段之一,实验的成功,预示着利用无人机构建量子通信网络是有可能的。

图|科学美国人文章源自网络

据悉,该研究对量子信息技术的实用化意义重大。“这种机载移动量子通信平台也可以通过高空无人机、高空气球等多种载体构建长距离链路,并与现有的光纤和卫星量子网络连接,在广阔天空中填补天地之间的空缺,解决不同层次的量子网络全天候、广覆盖的问题。”

据悉,对于这一研究成果,科学美国人(Scientific American)网站给与高度评价,认为量子通信的“下一个最佳选择可能是相对便宜的无人机”。

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