劉華穎 田曉慧 范鵬飛 龔彥曉 謝臻達 祝世寧

量子信息能實現(xiàn)很多經(jīng)典信息無法實現(xiàn)的功能，日益得到廣泛的重視，上升為國家戰(zhàn)略之一。量子信息的實用化有賴于量子信息的產(chǎn)生、調(diào)控和傳輸，與經(jīng)典信息網(wǎng)絡類似，這需要量子網(wǎng)絡的構(gòu)建和覆蓋。

近年來，量子網(wǎng)絡研究得到了長足發(fā)展，我國科學家已成功驗證了基于光纖和衛(wèi)星的兩種光量子鏈路，多條基于光纖的地基光量子鏈路構(gòu)建完成，并逐漸走向?qū)嵱?，基于衛(wèi)星的天基量子鏈路也在實驗和運行之中[1]。

然而，光纖固有傳輸損耗限制了基于光纖的量子鏈路遠距離傳輸，且鏈路覆蓋范圍受限于光纖網(wǎng)絡的鋪建；衛(wèi)星雖然能實現(xiàn)遠距離傳輸，但是由于固定軌道的約束，單顆衛(wèi)星只能在有限時間內(nèi)和固定的地面基站建立連接，鏈路工作時間受到限制，并且由于量子鏈路點對點的特性，要完成全時段和全球覆蓋，需要龐大的衛(wèi)星資源，僅僅依靠光纖和衛(wèi)星量子鏈路不能滿足未來量子網(wǎng)絡構(gòu)建的全部需求。

在經(jīng)典信息網(wǎng)絡中，人們通過光纖將光信號從發(fā)射端引導到光纖鏈路的另一端，再繼續(xù)傳遞到下一條光纖鏈路中，如此反復級聯(lián)，實現(xiàn)遠距離的網(wǎng)絡互聯(lián)，構(gòu)成全球組網(wǎng)的骨干，然后通過移動設備如手機連接到公共網(wǎng)絡上構(gòu)建移動網(wǎng)絡，通過無線通信技術(shù)訪問互聯(lián)網(wǎng)，廣泛、靈活覆蓋終端用戶。但量子網(wǎng)絡的構(gòu)建不能克隆經(jīng)典網(wǎng)絡技術(shù)，這是由于量子態(tài)不可復制，無法像經(jīng)典信息那樣，將信息復制為多個副本并向四面八方廣播式傳輸，實現(xiàn)同時傳輸?shù)蕉鄠€移動終端節(jié)點。因此，探索新的方式構(gòu)建移動量子網(wǎng)絡勢在必行。

近年來，由于自動飛行控制系統(tǒng)和人工智能方面的突破，無人機領(lǐng)域得到了爆炸性的發(fā)展[2]。目前，無人機的起飛重量可以從幾克到幾十噸，巡航高度從近地面到20多千米，最長飛行時間可達25天。選擇無人機構(gòu)建量子網(wǎng)絡，能夠充分發(fā)揮其類型的多樣性來滿足不同層次量子網(wǎng)絡的需要。在低空區(qū)域，可以使用重量為幾千克的低空多旋翼迷你無人機，搭載集成化的量子器件，飛行在近地高度范圍，構(gòu)建幾百至幾千米覆蓋范圍的局域移動量子網(wǎng)絡。在高空區(qū)域，可以選擇長航時固定翼無人機，搭載大口徑的收發(fā)系統(tǒng)和各種量子信息器件，飛行在平流層高度以上，構(gòu)建廣域移動量子網(wǎng)絡。采用無人機等移動平臺進行量子信息的傳輸，為構(gòu)建移動量子網(wǎng)絡并實現(xiàn)終端連接提供了新的思路。

相比衛(wèi)星和光纖鏈路，無人機平臺有其獨到的優(yōu)勢。首先，作為一種可以遠程操控的飛行系統(tǒng)，無人機機動性強、靈活度高。相比于需要預先鋪設的光纖鏈路和受限于固定運行軌道的衛(wèi)星鏈路，基于無人機的移動量子網(wǎng)絡，可以發(fā)揮其機動靈活的優(yōu)勢，將量子鏈路覆蓋到光纖或衛(wèi)星難以到達的區(qū)域，也可以滿足各種緊急和突發(fā)狀況下的快速調(diào)用需求。其次，相較于造價高昂的衛(wèi)星和需要大范圍鋪設的光纖量子鏈路，無人機平臺的生產(chǎn)、使用和維護成本較低，對于需大量節(jié)點的量子網(wǎng)絡和特定應用場景，無人機無疑是一種高性價比的選擇。

綜合來看，利用無人機等平臺構(gòu)建移動量子網(wǎng)絡，可以發(fā)揮其機動靈活、成本低廉、組網(wǎng)迅速等優(yōu)勢，與已有的光纖（地基）、衛(wèi)星（天基）量子鏈路功能互補，推動實現(xiàn)任意地點、全時段、全天候的量子網(wǎng)絡覆蓋。

但是，無人機特別是小型無人機，它的載荷與尺寸、重量與功耗等都受到嚴格限制，難以搭載常規(guī)量子器件。因此，量子器件亟需小型化、芯片化。

自1980年代開始，我國科學家致力于將光學微結(jié)構(gòu)材料應用于非線性光學、量子光學、微納光學等多個領(lǐng)域，成功研制出首個基于鈮酸鋰材料的光量子集成芯片，實現(xiàn)了多種光學器件的集成化，為研制能滿足無人機平臺需求的集成化光學系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。

作為基于無人機平臺的移動量子網(wǎng)絡的第一個原理驗證性實驗，我們提出了利用無人機實現(xiàn)到地面基站的量子糾纏分發(fā)的實驗構(gòu)想，簡單來說就是將無人機上搭載的一對糾纏光子分別發(fā)送到地面端的兩個獨立基站。要完成這個實驗，首先需要制備一套無人機可搭載的輕量化集成量子糾纏光源，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建基于無人機的飛行移動量子平臺，最后再構(gòu)建地面的接收基站，完成糾纏態(tài)的測量。

量子糾纏

量子糾纏是量子力學系統(tǒng)里一種獨特的現(xiàn)象。處于糾纏態(tài)的兩個光子，它們的狀態(tài)存在關(guān)聯(lián)，當測量得到其中一個光子的狀態(tài)時，另一個的狀態(tài)也會瞬時確定。類似于同時拋擲兩枚硬幣，如果這兩枚硬幣之間不存在糾纏，當我們只看到其中一枚的狀態(tài)時，是無法確定另一枚的狀態(tài)的；但如果它們之間存在糾纏，只要觀察到其中一枚的狀態(tài)，就能得知另一枚的狀態(tài)。例如，如果我們制備硬幣A、B同時正面朝上或同時反面朝上的糾纏態(tài)，那么，同時拋擲A、B后，如果我們觀察到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，這種關(guān)聯(lián)性不會受到兩枚硬幣之間距離遠近的影響。因此，利用量子糾纏原理，通過合適的測量手段，就可以把一個光子的狀態(tài)完美地傳遞到遠處的另一個光子上。

所謂量子糾纏分發(fā)，就是把制備好的兩個糾纏光子分別發(fā)送到相距很遠的兩個點，通過觀察兩個點的測量結(jié)果來檢驗量子糾纏的存在。利用量子糾纏分發(fā)，可以有效證明基于無人機構(gòu)建量子鏈路的可行性。

糾纏光子對產(chǎn)生的方法有很多，自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換是現(xiàn)在最常用也最成熟的方法之一。簡單來說，就是利用一種二階非線性晶體將光子分裂成一對光子，這對光子的總能量與總動量和分裂前光子的能量與動量相等，在這對光子之間就存在量子糾纏。

飛行移動量子平臺

通過在集成光學方面的多年研究，我們以光學超晶格為核心元件，研制出可用于分發(fā)的集成化量子糾纏光源，它由緊湊的波長為405納米的光源和波長為810納米的偏振糾纏光源組成，總質(zhì)量僅為468克，比利用傳統(tǒng)光學元件搭建的糾纏光源輕數(shù)十倍[3]。同時，糾纏光子對的產(chǎn)率達到5×10對/秒，測得CHSH不等式[Bell不等式的一種，由克勞澤（J. Clauser）、霍恩（M. Horne）、希莫尼（A. Shimony）、霍爾特（R. Holt）四人提出，是判斷量子糾纏的一種常用標準，當不等式的值大于2時系統(tǒng)存在量子糾纏]的S值達到2.8070±0.006，非常接近2.828的理論極限，這說明該光源具有超高的亮度和優(yōu)異的糾纏性能。

此外，我們成功研制出輕量、快速的高精度捕獲、指向和跟蹤（acquisition， pointing and tracking， APT）系統(tǒng)，僅3.75千克，跟蹤精度達0.1微弧度。利用該系統(tǒng)可實現(xiàn)量子光鏈路的可靠連接。由于無人機上搭載的發(fā)射端望遠鏡口徑和地面接收端望遠鏡的口徑是一致的，因此該系統(tǒng)具備極高的可擴展性，可用于級聯(lián)的光子傳輸。包括所有電子儀器在內(nèi)，整套糾纏分發(fā)系統(tǒng)的總質(zhì)量控制在11.8千克。將該系統(tǒng)搭載于續(xù)航時間40分鐘、最大載重量15千克的高穩(wěn)定性八旋翼無人機上，成功構(gòu)建了首個飛行移動量子平臺。

基于無人機的量子糾纏分發(fā)

以這個飛行移動量子平臺為基礎(chǔ)，我們完成了首個基于移動平臺的量子糾纏實驗。具體來說，主要完成了如下的實驗：將糾纏光源搭載于飛行的無人機上，通過兩個發(fā)射系統(tǒng)將一對糾纏光子分別向地面兩個接收基站傳輸，兩個基站對接收到的光子分別進行投影測量，再通過符合測量實現(xiàn)貝爾測試，以驗證糾纏的光子在分發(fā)到地面端后，糾纏特性仍舊得到了保持，進而證明我們實現(xiàn)了移動量子鏈路的成功搭建。得益于該平臺極高的信噪比，可在白天、晴朗或小雨夜晚進行量子糾纏分發(fā)，測得CHSH不等式的S值最高達到2.49±0.06[4]。這說明糾纏光子經(jīng)過該無人機平臺分發(fā)后，其糾纏特性能繼續(xù)保持，搭建了有效的量子鏈路。同時也證明該系統(tǒng)具備較高可靠性，以及在多種氣象條件下工作的能力，滿足未來全天候量子網(wǎng)絡的運行需求。

首個基于無人機的糾纏分發(fā)實驗，從原理上驗證了無人機平臺構(gòu)建量子鏈路的可行性，并展示了其在復雜氣象環(huán)境下的工作能力，實現(xiàn)了移動平臺量子鏈路從無到有的突破。但建立實用的移動量子網(wǎng)絡，仍面臨許多挑戰(zhàn)。

首先，自由空間光子的傳輸存在衍射損耗。盡管在瑞利距離（Rayleigh length）內(nèi)，可以實現(xiàn)無損的光子傳輸，但是在瑞利距離以上，隨著傳輸距離的增加，衍射損耗會逐漸增大，從而導致成碼率降低、噪聲增加，限制了量子鏈路的最大傳輸距離。我們可以通過使用口徑更大的望遠鏡、增大光束口徑、增加瑞利距離，來降低衍射損耗，但這需要更大更重的光學元件，導致系統(tǒng)復雜度增加和成本上升。對于未來的多節(jié)點量子網(wǎng)絡，這個問題尤其致命。

其次，量子鏈路中通過光子傳輸信息，所以僅能實現(xiàn)點對點的鏈路構(gòu)建。為了實現(xiàn)多用戶、大范圍覆蓋的量子網(wǎng)絡，需構(gòu)建多節(jié)點分布式量子網(wǎng)絡架構(gòu)。

此外，低空的自由空間量子鏈路，不可避免會受到天氣變化和大氣污染等環(huán)境因素的影響。

針對上述問題，我們提出了搭建光學中繼系統(tǒng)的想法。利用損耗小、保真度高的光中繼系統(tǒng)，通過多個節(jié)點級聯(lián)連接，將一個長的直接鏈路分割為多個相對短的鏈路。只要將這些鏈路的長度控制在瑞利距離內(nèi)，就可大大降低衍射損耗，避免光傳輸過程中衍射損耗導致的成碼率降低和噪聲增加，在保證安全性的前提下，以較高的傳輸速率實現(xiàn)長距離量子信息傳輸。相比增大光束口徑降低衍射損耗，這種辦法成本低廉，更具可行性和實用性?；诠庵欣^技術(shù)，可以利用大量靈活機動的無人機節(jié)點建立一個移動量子網(wǎng)絡，動態(tài)優(yōu)化節(jié)點位置，避開不良天氣和障礙物進行光學連接，大大提升量子網(wǎng)絡覆蓋能力。因此，我們設計了首個基于自由空間光學中繼糾纏分發(fā)實驗，以驗證該技術(shù)的可行性。

該實驗在兩架飛行的無人機之間建立光量子鏈路，需要更精準的光學系統(tǒng)，以保證光子無損地從一架無人機發(fā)射至另一架，并在接收后再發(fā)射出去。這對光的發(fā)射、接收精度和對準精度都有很高要求，難度好似“百步穿楊”。且由于整個鏈路都需要在飛行狀態(tài)下保持性能，故對整套電學系統(tǒng)和飛行系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性也有很高要求。

為此，我們進一步提升了整套光學系統(tǒng)的性能，同時大幅提升了跟瞄系統(tǒng)的跟蹤精度和速度。此外，開發(fā)了實現(xiàn)光學中繼所需的整套中繼節(jié)點裝置。最終，通過光中繼技術(shù)，在兩個地面基站距離達到1千米的前提下，將單個量子鏈路的距離控制在400米以下，完成了基于無人機平臺的光中繼量子糾纏分發(fā)實驗。該距離在整套光學系統(tǒng)的瑞利衍射極限距離676米之內(nèi)，衍射損耗可以忽略不計并保證了糾纏光子的高效傳輸。實驗測得CHSH不等式的S值為2.59±0.11，說明糾纏光子在經(jīng)過光中繼鏈路后仍保持優(yōu)異的糾纏特性，證明了這種光中繼鏈路的有效性。從而實現(xiàn)了無人機量子節(jié)點從1到2的突破，為構(gòu)建可擴展的多節(jié)點移動量子網(wǎng)絡打下了基礎(chǔ)。

我們實現(xiàn)了首個基于無人機移動平臺之間的量子鏈路，它可以在多種氣象條件下工作，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了光中繼的糾纏分發(fā)實驗，且嘗試了移動量子鏈路距離從百米到千米級的提升。未來，隨著各機載系統(tǒng)的進一步集成化，例如現(xiàn)有的輕量化偏振糾纏光源可發(fā)展為以芯片為基礎(chǔ)的片上糾纏光源[5]；跟瞄系統(tǒng)里的望遠鏡系統(tǒng)可根據(jù)鏈路長度、載荷等要求改進為更緊湊、光束更小的系統(tǒng)，裝入迷你無人機中，就可以發(fā)展用于局域量子網(wǎng)絡的通信。

當然，也可以通過將移動量子節(jié)點裝載到高空無人機上，來實現(xiàn) 廣域覆蓋。通過選取無人機機載能力范圍內(nèi)合適的光束孔徑，在平流層的地球曲率極限內(nèi)建立長距離通信。這種可擴展的移動量子網(wǎng)絡對于實現(xiàn)多個時空尺度的全面覆蓋至關(guān)重要。更長遠地看，移動平臺的量子網(wǎng)絡可以與已有的地基（光纖）、天基（衛(wèi)星）量子鏈路功能互補，構(gòu)建實用化的量子互聯(lián)網(wǎng)。

[本文相關(guān)工作得到南京大學卓越計劃、江蘇省科技廳前沿引領(lǐng)項目、科技部國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金等項目的支持，南智先進光電集成技術(shù)研究院提供了重要技術(shù)支撐。]

[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.

關(guān)鍵詞：量子鏈路 量子網(wǎng)絡 量子糾纏分發(fā) 光學中繼 無人機 ■