提起2008年，5?12蘆山水災(zāi)仍然是中國人難以避開的一個(gè)話題。
那場8.0級(jí)特大地震及其引起的崩塌、崩塌等次生水災(zāi)，旋即間幾乎毀損了災(zāi)區(qū)全部交通基礎(chǔ)設(shè)施與通訊設(shè)備，直接造成應(yīng)急通訊車未能開進(jìn)現(xiàn)場，震中歷時(shí)數(shù)小時(shí)處于失蹤狀態(tài)。為防止錯(cuò)過抗洪搶險(xiǎn)的黃金期，通訊軍隊(duì)只能借助人力背著一根根光纜登山進(jìn)軍災(zāi)震區(qū)，緊急搭建出一條條信息賑災(zāi)通道。
現(xiàn)在，這些“人肉背光纜”的救災(zāi)方法將有望被徹底改變。
日前，北京學(xué)院固體微結(jié)構(gòu)化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室祝世寧教授團(tuán)隊(duì)謝臻達(dá)院士、龔彥曉院長課題組首次使用光學(xué)中繼，并將光學(xué)中繼的節(jié)點(diǎn)放在處于飛行狀態(tài)的大型無人機(jī)上，成功實(shí)現(xiàn)了糾纏光子分發(fā)實(shí)驗(yàn)。
圖|未來機(jī)載量子網(wǎng)路（來源：）
她們開創(chuàng)性地引入了無人機(jī)元素來交換量子信息和建立量子信息網(wǎng)路，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了更遠(yuǎn)和更廣的覆蓋范圍；同時(shí)，還極大便利了多節(jié)點(diǎn)聯(lián)通量子網(wǎng)路的搭建，做到“即搭即用”、機(jī)動(dòng)靈活；這些聯(lián)通式的量子網(wǎng)路，還可以作為一種新型量子通信平臺(tái)，與已有的地基（光纖）、天基（衛(wèi)星）量子鏈路功能互補(bǔ)，建立實(shí)用化的量子互聯(lián)網(wǎng)。
該研究成果于1月15日發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》（）上，標(biāo)題為《以無人機(jī)為聯(lián)通節(jié)點(diǎn)的光中繼糾纏分布》（-usingasnodes）。論文共同第一作者為研究生劉華穎、田曉慧、范鵬飛、顧昌晟。
圖|相關(guān)論文（來源：）
“這項(xiàng)技術(shù)一旦成熟，目前由光纜聯(lián)接的相對(duì)固定的基站能夠用帶有光學(xué)中繼的無人機(jī)取代，實(shí)現(xiàn)量子加密的光通訊，‘讓那些基站飛上去’，因而廣泛應(yīng)用于一些特殊場景，例如在水災(zāi)、泥石流等洪災(zāi)發(fā)生后進(jìn)行救災(zāi)搶險(xiǎn)，或則是海上航行及其他地形復(fù)雜區(qū)域繼續(xù)用網(wǎng)時(shí)等?！蹦暇W(xué)院電子科學(xué)與工程大學(xué)院士、博士生導(dǎo)師謝臻達(dá)告訴。
以無人機(jī)為中繼站量子傳輸速度，破解局域量子網(wǎng)路搭建兩大挑戰(zhàn)
仍然以來，量子通訊都被視為實(shí)現(xiàn)無條件信息安全傳輸?shù)淖罴淹緩?。但是，要?gòu)建真正實(shí)用的量子通訊網(wǎng)路，仍面臨著一些根本挑戰(zhàn)。
第一，當(dāng)前的單光子編碼的量子鏈路只能構(gòu)建在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)上，除了未能在多個(gè)目的地之間發(fā)送量子信息，更難以依照實(shí)際需求在位置和時(shí)間上進(jìn)行變化，而且還要不受天氣條件的影響；第二，量子通訊對(duì)于鏈路遺失非常敏感，這除了會(huì)增加數(shù)據(jù)速度，都會(huì)影響安全性。并且在光纖等常規(guī)光通信信道中，鏈路遺失又顯然是不可防止的。
而要徹底解決上述兩大挑戰(zhàn)，并搭建出自由空間量子光通信系統(tǒng)，就須要借助耗損小、保真度高的光中繼系統(tǒng)。只有這樣，能夠盡量避開光傳輸過程中衍射耗損引致的成分辨率增加和噪音的降低，能夠在保證安全性的前提下，以較高的傳輸速度實(shí)現(xiàn)長距離量子信息傳輸。
該研究團(tuán)隊(duì)以無人機(jī)作為搭載中繼器的聯(lián)通平臺(tái)，將量子糾纏光源和光中繼系統(tǒng)分別搭載在兩架無人機(jī)上，在數(shù)千克荷載限制內(nèi)實(shí)現(xiàn)了單光子高精度跟瞄接收和重新發(fā)射，借助光中繼系統(tǒng)中多模光纖的耦入耦出，將高斯光束重新整形后發(fā)出，以此一舉解決掉衍射耗損問題。
圖|相關(guān)實(shí)驗(yàn)（來源：）
如上圖所示，糾纏光子對(duì)在一個(gè)無人機(jī)（右側(cè)）上形成，其中的一個(gè)光子直接傳輸?shù)降孛娼邮斩耍ㄋ{(lán)色光路），另一個(gè)通過第二架無人機(jī)的光中繼再傳輸?shù)降孛娼邮斩耍ㄋ{(lán)色光路）。這些光學(xué)中繼除了可以引導(dǎo)單光子光束，并且在偏振光補(bǔ)償以后，光子通過多模光纖（ModeFiber，簡稱SMF）被投到第二個(gè)收發(fā)器單元，便于向目的地或下一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重新準(zhǔn)直，但是每位收發(fā)器都包括一個(gè)望遠(yuǎn)鏡及其捕獲、指向和跟蹤(,,and，簡稱APT)系統(tǒng)。
實(shí)驗(yàn)中，糾纏光子在分發(fā)距離1千米的情況下測得了2.59±0.11的貝爾不方程（-Horne--Holt，簡稱CHSH）的S值，證明了這些光學(xué)中繼高度保持了光子對(duì)的糾纏特點(diǎn)，是一種有效的量子鏈路。
謝臻達(dá)直言，回顧整個(gè)研究過程，遇見過好多困難。例如，為驗(yàn)證該項(xiàng)技術(shù)在不同條件下的性能表現(xiàn)量子傳輸速度，她們要在野外進(jìn)行實(shí)地實(shí)驗(yàn)，因此先后輾轉(zhuǎn)多地，包括北京、石家莊以及西安等，條件也比較堅(jiān)苦。
但最大的難點(diǎn)還在于大型化元件與設(shè)備的設(shè)計(jì)與開發(fā)。據(jù)介紹，為增加光學(xué)元件以及整個(gè)系統(tǒng)的規(guī)格和重量，把中繼節(jié)點(diǎn)和糾纏源節(jié)點(diǎn)都裝進(jìn)其設(shè)計(jì)的飛行時(shí)間更長的八涵道無人機(jī)中，她們?cè)O(shè)法通過光學(xué)熔斷器讓每位鏈路寬度都保持在400m以下，使之保持在系統(tǒng)的瑞利衍射極限676m之內(nèi)，因而使衍射耗損可以忽視不計(jì)。
另外，望遠(yuǎn)鏡光束孔徑只有26.4mm，以及重型、高能見度的緊湊機(jī)載糾纏光子源等，這樣就使總有效荷載重量保持在11.8公斤以內(nèi)，起飛重量為35公斤，兩架無人機(jī)的實(shí)現(xiàn)聯(lián)接時(shí)間達(dá)到40分鐘。
圖|AEPS、APT系統(tǒng)的結(jié)布光與性能（來源：）
謝臻達(dá)強(qiáng)調(diào)，她們研制的這些便攜式系統(tǒng)，具有實(shí)用的、低成本的特性，適用于多節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，容許進(jìn)行大批量生產(chǎn)。而且她們目前所使用的商用部件規(guī)格比實(shí)際須要的要大，這也給了她們系統(tǒng)進(jìn)行不斷減肥的空間。
“從1到2的跨越”
事實(shí)上，早在2017年，該團(tuán)隊(duì)就開始了相關(guān)研究，并于2020年1月首次成功實(shí)現(xiàn)了基于一架無人機(jī)的糾纏光子分發(fā)實(shí)驗(yàn)，該成果發(fā)表在刊物上，論文標(biāo)題為《基于無人機(jī)的聯(lián)通量子網(wǎng)路糾纏分布》（Drone-based）。
“在這項(xiàng)工作的基礎(chǔ)上，我們完成了‘從1到2’的跨越，”謝臻達(dá)表示，“簡單來說，就是今年我們是借助一架客機(jī)，去年做到用兩架無人機(jī)在空中領(lǐng)域搭建量子鏈路，我們稱之為光學(xué)中繼糾纏分發(fā)的實(shí)驗(yàn)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)的意義在于，一方面是引入了自由空間的光學(xué)中繼，通過無人機(jī)這些聯(lián)通節(jié)點(diǎn)重構(gòu)了單光子波前，從而克服光學(xué)中繼器的耗損困局。另一方面，第一次在自由空間上將兩個(gè)聯(lián)通量子節(jié)點(diǎn)聯(lián)接上去，基于此就可以把自由空間中的聯(lián)通量子鏈路推廣到多節(jié)點(diǎn)的聯(lián)接，乃至建立多節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)路，這樣就能否在任意時(shí)間、任意空間實(shí)現(xiàn)最大化的鏈接覆蓋?！?span style="display:none">KdU物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
所以，此次的進(jìn)展意味著，她們朝著建立無人機(jī)聯(lián)通量子信息網(wǎng)路的方向跨出了關(guān)鍵一步。
談及應(yīng)用一架無人機(jī)與兩架無人機(jī)在技術(shù)原理上是否存在差別，謝臻達(dá)介紹道，從數(shù)學(xué)的概念上講，這次實(shí)驗(yàn)做的依然是建立聯(lián)通量子鏈路，但不同之處主要包括兩點(diǎn)：第一點(diǎn)是此次研究須要借助更精確的光學(xué)裝置，讓光子無損地發(fā)射至第二架無人機(jī)上，并在接收后再發(fā)射出去，所以這對(duì)光的接收與對(duì)準(zhǔn)跟蹤進(jìn)度都提出了很高的要求。第二點(diǎn)，此前的工作是在一個(gè)聯(lián)通節(jié)點(diǎn)與一個(gè)地面的節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行，相對(duì)難度較低，而如今借助兩架飛行當(dāng)中的無人機(jī)，這或許對(duì)于電路的跟蹤精度和飛行速率等也提出了很高要求。
怎么建成世界上首個(gè)大型機(jī)載量子鏈路？
“這個(gè)領(lǐng)域國際上仍然有好多人想做，好多人在做，但只有我們率先將量子光源這種關(guān)鍵的技術(shù)關(guān)節(jié)打通了，因而實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)在量子網(wǎng)路的真正落地與應(yīng)用。”謝臻達(dá)表示。
他告訴，她們之所以舉辦這一研究，并成為國際上首個(gè)成功搭建出機(jī)載量子網(wǎng)路的團(tuán)隊(duì)，一方面源自上海學(xué)院的卓越計(jì)劃的推進(jìn)，另一方面是其團(tuán)隊(duì)具有天然的技術(shù)優(yōu)勢—可直接從北京學(xué)院介電體超晶格實(shí)驗(yàn)室研究積累中吸取技術(shù)“營養(yǎng)”。
據(jù)了解，該實(shí)驗(yàn)室從上世紀(jì)80年代就開始專注于光學(xué)微結(jié)構(gòu)研究，包括量子光學(xué)、微納米光學(xué)等，經(jīng)過數(shù)六年積累，實(shí)驗(yàn)室成功研制出世界上第一塊載流子的光量子芯片，實(shí)現(xiàn)多種各樣光學(xué)器件的集成化，將光量子節(jié)點(diǎn)集成到容積更小的芯片上，這種實(shí)驗(yàn)成果在很大程度上為她們后來的實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)，讓無人機(jī)搭載光子訊號(hào)成為可能。
據(jù)悉，謝臻達(dá)本人還是一個(gè)不折不扣的無人機(jī)愛好者，之前還在各類無人機(jī)模型大賽中獲得過亞軍，對(duì)無人機(jī)的熱愛、興趣與了解，給了他把無人機(jī)與量子網(wǎng)路相結(jié)合的靈感。
圖|謝臻達(dá)
謝臻達(dá)，北京學(xué)院電子科學(xué)與工程大學(xué)院士、博導(dǎo)，2005年?？平Y(jié)業(yè)于北京學(xué)院，2011在北京學(xué)院獲得博士學(xué)位，2011年至2016年先后在德國波蘭學(xué)院、加州學(xué)院紐約校區(qū)任博士后和研究科學(xué)家。截至目前，已在、、扥等海內(nèi)外刊物上發(fā)表SCI論文40余篇。
謝臻達(dá)告訴，在團(tuán)隊(duì)的構(gòu)想中，無人機(jī)的用處就在于其有大的，也有小的；有飛得高的，也有飛得低的。將來她們將順著兩個(gè)不同的思路來繼續(xù)推進(jìn)這一研究：
一是“往低空大型化走”。不斷旨在于促進(jìn)無人機(jī)大型化，重量達(dá)到數(shù)百克甚至數(shù)十克，同時(shí)使其低空飛行，進(jìn)而建立近距離的局域網(wǎng)，并逐漸實(shí)現(xiàn)真正面向終端用戶。
二是“往高空遠(yuǎn)距離走”。借助技術(shù)將量子訊號(hào)搭載到飛行在高空平流層的無人機(jī)上，高空由于空氣比較黏稠干凈，所以大大降低了空氣耗損，因而能讓訊號(hào)傳得更遠(yuǎn)，甚至可達(dá)到“穿越幾百公里”，在這基礎(chǔ)上才能建立出一個(gè)廣域網(wǎng)，從而滿足城市省域乃至全省的訊號(hào)需求。在本次實(shí)驗(yàn)中，光子的傳輸距離為1公里，但該團(tuán)隊(duì)表示若將無人機(jī)聯(lián)通到更高的位置，將可傳輸300公里。
謝臻達(dá)介紹道，這些借助無人機(jī)打造的光學(xué)鏈路具有可擴(kuò)充性，比如可以實(shí)現(xiàn)自由空間的高速激光通訊，與現(xiàn)有的無線形式傳播相比，其帶寬更大，傳播速率更快，這對(duì)5G甚至于將來的6G技術(shù)來說都十分重要。并且它還可以通過量子加密的形式，在保證大容量的信息傳輸?shù)耐瑫r(shí)，還能達(dá)到很高的安全性。