无人机量子网络开始起飞

本文来自微信公众号：科学杂志1915（ID：kexuemag），作者：刘华颖、田晓慧、范鹏飞、龚彦晓、谢臻达、祝世宁，头图来自：unsplash

量子信息能实现很多经典信息无法实现的功能，日益得到广泛的重视，上升为国家战略之一。量子信息的实用化有赖于量子信息的产生、调控和传输，与经典信息网络类似，这需要量子网络的构建和覆盖。

近年来，量子网络研究得到了长足发展，我国科学家已成功验证了基于光纤和卫星的两种光量子链路，多条基于光纤的地基光量子链路构建完成，并逐渐走向实用，基于卫星的天基量子链路也在实验和运行之中 ^[1]。

然而，光纤固有传输损耗限制了基于光纤的量子链路远距离传输，且链路覆盖范围受限于光纤网络的铺建；卫星虽然能实现远距离传输，但是由于固定轨道的约束，单颗卫星只能在有限时间内和固定的地面基站建立连接，链路工作时间受到限制，并且由于量子链路点对点的特性，要完成全时段和全球覆盖，需要庞大的卫星资源，仅仅依靠光纤和卫星量子链路不能满足未来量子网络构建的全部需求。

在经典信息网络中，人们通过光纤将光信号从发射端引导到光纤链路的另一端，再继续传递到下一条光纤链路中，如此反复级联，实现远距离的网络互联，构成全球组网的骨干，然后通过移动设备如手机连接到公共网络上构建移动网络，通过无线通信技术访问互联网，广泛、灵活覆盖终端用户。但量子网络的构建不能克隆经典网络技术，这是由于量子态不可复制，无法像经典信息那样，将信息复制为多个副本并向四面八方广播式传输，实现同时传输到多个移动终端节点。因此，探索新的方式构建移动量子网络势在必行。

一、无人机：构建量子网络的新宠

近年来，由于自动飞行控制系统和人工智能方面的突破，无人机领域得到了爆炸性的发展 ^[2]。目前，无人机的起飞重量可以从几克到几十吨，巡航高度从近地面到20多千米，最长飞行时间可达25天。选择无人机构建量子网络，能够充分发挥其类型的多样性来满足不同层次量子网络的需要。在低空区域，可以使用重量为几千克的低空多旋翼迷你无人机，搭载集成化的量子器件，飞行在近地高度范围，构建几百至几千米覆盖范围的局域移动量子网络。在高空区域，可以选择长航时固定翼无人机，搭载大口径的收发系统和各种量子信息器件，飞行在平流层高度以上，构建广域移动量子网络。采用无人机等移动平台进行量子信息的传输，为构建移动量子网络并实现终端连接提供了新的思路。

相比卫星和光纤链路，无人机平台有其独到的优势。首先，作为一种可以远程操控的飞行系统，无人机机动性强、灵活度高。相比于需要预先铺设的光纤链路和受限于固定运行轨道的卫星链路，基于无人机的移动量子网络，可以发挥其机动灵活的优势，将量子链路覆盖到光纤或卫星难以到达的区域，也可以满足各种紧急和突发状况下的快速调用需求。其次，相较于造价高昂的卫星和需要大范围铺设的光纤量子链路，无人机平台的生产、使用和维护成本较低，对于需大量节点的量子网络和特定应用场景，无人机无疑是一种高性价比的选择。

综合来看，利用无人机等平台构建移动量子网络，可以发挥其机动灵活、成本低廉、组网迅速等优势，与已有的光纤（地基）、卫星（天基）量子链路功能互补，推动实现任意地点、全时段、全天候的量子网络覆盖。

但是，无人机特别是小型无人机，它的载荷与尺寸、重量与功耗等都受到严格限制，难以搭载常规量子器件。因此，量子器件亟需小型化、芯片化。

自1980年代开始，我国科学家致力于将光学微结构材料应用于非线性光学、量子光学、微纳光学等多个领域，成功研制出首个基于铌酸锂材料的光量子集成芯片，实现了多种光学器件的集成化，为研制能满足无人机平台需求的集成化光学系统打下基础。

二、从0到1的突破：无人机实现量子纠缠分发

作为基于无人机平台的移动量子网络的第一个原理验证性实验，我们提出了利用无人机实现到地面基站的量子纠缠分发的实验构想，简单来说就是将无人机上搭载的一对纠缠光子分别发送到地面端的两个独立基站。要完成这个实验，首先需要制备一套无人机可搭载的轻量化集成量子纠缠光源，在此基础上构建基于无人机的飞行移动量子平台，最后再构建地面的接收基站，完成纠缠态的测量。

量子纠缠

量子纠缠是量子力学系统里一种独特的现象。处于纠缠态的两个光子，它们的状态存在关联，当测量得到其中一个光子的状态时，另一个的状态也会瞬时确定。类似于同时抛掷两枚硬币，如果这两枚硬币之间不存在纠缠，当我们只看到其中一枚的状态时，是无法确定另一枚的状态的；但如果它们之间存在纠缠，只要观察到其中一枚的状态，就能得知另一枚的状态。例如，如果我们制备硬币A、B同时正面朝上或同时反面朝上的纠缠态，那么，同时抛掷A、B后，如果我们观察到A正面朝上，可知B必然正面朝上；如果A反面朝上，那么B也一定反面朝上。最神奇的是，这种关联性不会受到两枚硬币之间距离远近的影响。因此，利用量子纠缠原理，通过合适的测量手段，就可以把一个光子的状态完美地传递到远处的另一个光子上。

所谓量子纠缠分发，就是把制备好的两个纠缠光子分别发送到相距很远的两个点，通过观察两个点的测量结果来检验量子纠缠的存在。利用量子纠缠分发，可以有效证明基于无人机构建量子链路的可行性。

纠缠光子对产生的方法有很多，自发参量下转换是现在最常用也最成熟的方法之一。简单来说，就是利用一种二阶非线性晶体将光子分裂成一对光子，这对光子的总能量与总动量和分裂前光子的能量与动量相等，在这对光子之间就存在量子纠缠。

飞行移动量子平台

通过在集成光学方面的多年研究，我们以光学超晶格为核心元件，研制出可用于分发的集成化量子纠缠光源，它由紧凑的波长为405纳米的光源和波长为810纳米的偏振纠缠光源组成，总质量仅为468克，比利用传统光学元件搭建的纠缠光源轻数十倍 ^[3]。同时，纠缠光子对的产率达到5×10⁵对/秒，测得CHSH不等式[Bell不等式的一种，由克劳泽（J. Clauser）、霍恩（M. Horne）、希莫尼（A. Shimony）、霍尔特（R. Holt）四人提出，是判断量子纠缠的一种常用标准，当不等式的值大于2时系统存在量子纠缠]的S值达到2.8070±0.006，非常接近2.828的理论极限，这说明该光源具有超高的亮度和优异的纠缠性能。

此外，我们成功研制出轻量、快速的高精度捕获、指向和跟踪（acquisition， pointing and tracking， APT）系统，仅3.75千克，跟踪精度达0.1微弧度。利用该系统可实现量子光链路的可靠连接。由于无人机上搭载的发射端望远镜口径和地面接收端望远镜的口径是一致的，因此该系统具备极高的可扩展性，可用于级联的光子传输。包括所有电子仪器在内，整套纠缠分发系统的总质量控制在11.8千克。将该系统搭载于续航时间40分钟、最大载重量15千克的高稳定性八旋翼无人机上，成功构建了首个飞行移动量子平台。

基于无人机的量子纠缠分发

以这个飞行移动量子平台为基础，我们完成了首个基于移动平台的量子纠缠实验。具体来说，主要完成了如下的实验：将纠缠光源搭载于飞行的无人机上，通过两个发射系统将一对纠缠光子分别向地面两个接收基站传输，两个基站对接收到的光子分别进行投影测量，再通过符合测量实现贝尔测试，以验证纠缠的光子在分发到地面端后，纠缠特性仍旧得到了保持，进而证明我们实现了移动量子链路的成功搭建。得益于该平台极高的信噪比，可在白天、晴朗或小雨夜晚进行量子纠缠分发，测得CHSH不等式的S值最高达到2.49±0.06 ^[4]。这说明纠缠光子经过该无人机平台分发后，其纠缠特性能继续保持，搭建了有效的量子链路。同时也证明该系统具备较高可靠性，以及在多种气象条件下工作的能力，满足未来全天候量子网络的运行需求。

基于无人机的量子纠缠分发示意  无人机节点通过移动链路将一对纠缠光子发送到Alice和Bob两基站，间距200米。

三、从1到2的跨越：无人机实现光学中继量子纠缠分发

首个基于无人机的纠缠分发实验，从原理上验证了无人机平台构建量子链路的可行性，并展示了其在复杂气象环境下的工作能力，实现了移动平台量子链路从无到有的突破。但建立实用的移动量子网络，仍面临许多挑战。

首先，自由空间光子的传输存在衍射损耗。尽管在瑞利距离（Rayleigh length）内，可以实现无损的光子传输，但是在瑞利距离以上，随着传输距离的增加，衍射损耗会逐渐增大，从而导致成码率降低、噪声增加，限制了量子链路的最大传输距离。我们可以通过使用口径更大的望远镜、增大光束口径、增加瑞利距离，来降低衍射损耗，但这需要更大更重的光学元件，导致系统复杂度增加和成本上升。对于未来的多节点量子网络，这个问题尤其致命。

其次，量子链路中通过光子传输信息，所以仅能实现点对点的链路构建。为了实现多用户、大范围覆盖的量子网络，需构建多节点分布式量子网络架构。

此外，低空的自由空间量子链路，不可避免会受到天气变化和大气污染等环境因素的影响。

针对上述问题，我们提出了搭建光学中继系统的想法。利用损耗小、保真度高的光中继系统，通过多个节点级联连接，将一个长的直接链路分割为多个相对短的链路。只要将这些链路的长度控制在瑞利距离内，就可大大降低衍射损耗，避免光传输过程中衍射损耗导致的成码率降低和噪声增加，在保证安全性的前提下，以较高的传输速率实现长距离量子信息传输。相比增大光束口径降低衍射损耗，这种办法成本低廉，更具可行性和实用性。基于光中继技术，可以利用大量灵活机动的无人机节点建立一个移动量子网络，动态优化节点位置，避开不良天气和障碍物进行光学连接，大大提升量子网络覆盖能力。因此，我们设计了首个基于自由空间光学中继纠缠分发实验，以验证该技术的可行性。

基于自由空间光学中继纠缠分发实验概念图  (a)纠缠光源搭载于无人机1（纠缠分发节点）上，产生的纠缠光子对，其中一个直接发送到地面Alice端，另一个发送到无人机2（光学中继节点），其收发装置对接收到的光子束重新整形并准直后，发射到Bob端。(b)瑞利距离内光束衍射损耗可以忽略。图中每条链路的长度都控制在瑞利距离内，即可突破衍射损耗的限制，降低链路的总传输损耗。(c)利用大量灵活机动的无人机节点建立移动量子网络。 ^[3]

该实验在两架飞行的无人机之间建立光量子链路，需要更精准的光学系统，以保证光子无损地从一架无人机发射至另一架，并在接收后再发射出去。这对光的发射、接收精度和对准精度都有很高要求，难度好似“百步穿杨”。且由于整个链路都需要在飞行状态下保持性能，故对整套电学系统和飞行系统的精度和稳定性也有很高要求。

为此，我们进一步提升了整套光学系统的性能，同时大幅提升了跟瞄系统的跟踪精度和速度。此外，开发了实现光学中继所需的整套中继节点装置。最终，通过光中继技术，在两个地面基站距离达到1千米的前提下，将单个量子链路的距离控制在400米以下，完成了基于无人机平台的光中继量子纠缠分发实验。该距离在整套光学系统的瑞利衍射极限距离676米之内，衍射损耗可以忽略不计并保证了纠缠光子的高效传输。实验测得CHSH不等式的S值为2.59±0.11，说明纠缠光子在经过光中继链路后仍保持优异的纠缠特性，证明了这种光中继链路的有效性。从而实现了无人机量子节点从1到2的突破，为构建可扩展的多节点移动量子网络打下了基础。

四、展望

我们实现了首个基于无人机移动平台之间的量子链路，它可以在多种气象条件下工作，并在此基础上实现了光中继的纠缠分发实验，且尝试了移动量子链路距离从百米到千米级的提升。未来，随着各机载系统的进一步集成化，例如现有的轻量化偏振纠缠光源可发展为以芯片为基础的片上纠缠光源 ^[5]；跟瞄系统里的望远镜系统可根据链路长度、载荷等要求改进为更紧凑、光束更小的系统，装入迷你无人机中，就可以发展用于局域量子网络的通信。

利用无人机从局域到广域尺度的移动量子网络方案示意  对于局域网络，即插即用的无人机节点可以迅速建立移动节点和固定节点之间的连接；而对于广域网络，高空无人机可以建立多节点移动链路，这是对卫星和光纤网络的重要补充。 ^[3]

当然，也可以通过将移动量子节点装载到高空无人机上，来实现广域覆盖。通过选取无人机机载能力范围内合适的光束孔径，在平流层的地球曲率极限内建立长距离通信。这种可扩展的移动量子网络对于实现多个时空尺度的全面覆盖至关重要。更长远地看，移动平台的量子网络可以与已有的地基（光纤）、天基（卫星）量子链路功能互补，构建实用化的量子互联网。

（本文相关工作得到南京大学卓越计划、江苏省科技厅前沿引领项目、科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持，南智先进光电集成技术研究院提供了重要技术支撑。）

参考文献：

1. 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.

2. Hassanalian M， Abdelkefi A. Classifications， applications and design challenges of drones: A review. Progress in Aerospace Sciences， 2017， 91: 99-131.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

本文来自微信公众号：科学杂志1915（ID：kexuemag），作者：刘华颖（南京大学物理学院博士后）、田晓慧（南京大学电子科学与工程学院博士后）、范鹏飞、龚彦晓（南京大学物理学院教授）、谢臻达（南京大学电子科学与工程学院教授）、祝世宁（中国科学院院士、南京大学固体微结构物理国家重点实验室）