無(wú)人機(jī)量子網(wǎng)絡(luò)開始起飛

劉華穎 田曉慧 范鵬飛 龔彥曉 謝臻達(dá) 祝世寧

量子信息能實(shí)現(xiàn)很多經(jīng)典信息無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能，日益得到廣泛的重視，上升為國(guó)家戰(zhàn)略之一。量子信息的實(shí)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(luò)類似，這需要量子網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和覆蓋。

近年來(lái)，量子網(wǎng)絡(luò)研究得到了長(zhǎng)足發(fā)展，我國(guó)科學(xué)家已成功驗(yàn)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(shí)驗(yàn)和運(yùn)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(yuǎn)距離傳輸，且鏈路覆蓋范圍受限于光纖網(wǎng)絡(luò)的鋪建；衛(wèi)星雖然能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(shí)間內(nèi)和固定的地面基站建立連接，鏈路工作時(shí)間受到限制，并且由于量子鏈路點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的特性，要完成全時(shí)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(lái)量子網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的全部需求。

在經(jīng)典信息網(wǎng)絡(luò)中，人們通過(guò)光纖將光信號(hào)從發(fā)射端引導(dǎo)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(fù)級(jí)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，構(gòu)成全球組網(wǎng)的骨干，然后通過(guò)移動(dòng)設(shè)備如手機(jī)連接到公共網(wǎng)絡(luò)上構(gòu)建移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)，廣泛、靈活覆蓋終端用戶。但量子網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建不能克隆經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，這是由于量子態(tài)不可復(fù)制，無(wú)法像經(jīng)典信息那樣，將信息復(fù)制為多個(gè)副本并向四面八方廣播式傳輸，實(shí)現(xiàn)同時(shí)傳輸?shù)蕉鄠€(gè)移動(dòng)終端節(jié)點(diǎn)。因此，探索新的方式構(gòu)建移動(dòng)量子網(wǎng)絡(luò)勢(shì)在必行。

近年來(lái)，由于自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)和人工智能方面的突破，無(wú)人機(jī)領(lǐng)域得到了爆炸性的發(fā)展[2]。目前，無(wú)人機(jī)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(zhǎng)飛行時(shí)間可達(dá)25天。選擇無(wú)人機(jī)構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)，能夠充分發(fā)揮其類型的多樣性來(lái)滿足不同層次量子網(wǎng)絡(luò)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(wú)人機(jī)，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(dòng)量子網(wǎng)絡(luò)。在高空區(qū)域，可以選擇長(zhǎng)航時(shí)固定翼無(wú)人機(jī)，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(dòng)量子網(wǎng)絡(luò)。采用無(wú)人機(jī)等移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行量子信息的傳輸，為構(gòu)建移動(dòng)量子網(wǎng)絡(luò)并實(shí)現(xiàn)終端連接提供了新的思路。

相比衛(wèi)星和光纖鏈路，無(wú)人機(jī)平臺(tái)有其獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。首先，作為一種可以遠(yuǎn)程操控的飛行系統(tǒng)，無(wú)人機(jī)機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、靈活度高。相比于需要預(yù)先鋪設(shè)的光纖鏈路和受限于固定運(yùn)行軌道的衛(wèi)星鏈路，基于無(wú)人機(jī)的移動(dòng)量子網(wǎng)絡(luò)，可以發(fā)揮其機(jī)動(dòng)靈活的優(yōu)勢(shì)，將量子鏈路覆蓋到光纖或衛(wèi)星難以到達(dá)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(jià)高昂的衛(wèi)星和需要大范圍鋪設(shè)的光纖量子鏈路，無(wú)人機(jī)平臺(tái)的生產(chǎn)、使用和維護(hù)成本較低，對(duì)于需大量節(jié)點(diǎn)的量子網(wǎng)絡(luò)和特定應(yīng)用場(chǎng)景，無(wú)人機(jī)無(wú)疑是一種高性價(jià)比的選擇。

綜合來(lái)看，利用無(wú)人機(jī)等平臺(tái)構(gòu)建移動(dòng)量子網(wǎng)絡(luò)，可以發(fā)揮其機(jī)動(dòng)靈活、成本低廉、組網(wǎng)迅速等優(yōu)勢(shì)，與已有的光纖（地基）、衛(wèi)星（天基）量子鏈路功能互補(bǔ)，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)任意地點(diǎn)、全時(shí)段、全天候的量子網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

但是，無(wú)人機(jī)特別是小型無(wú)人機(jī)，它的載荷與尺寸、重量與功耗等都受到嚴(yán)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(guó)科學(xué)家致力于將光學(xué)微結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用于非線性光學(xué)、量子光學(xué)、微納光學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域，成功研制出首個(gè)基于鈮酸鋰材料的光量子集成芯片，實(shí)現(xiàn)了多種光學(xué)器件的集成化，為研制能滿足無(wú)人機(jī)平臺(tái)需求的集成化光學(xué)系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。

作為基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的移動(dòng)量子網(wǎng)絡(luò)的第一個(gè)原理驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，我們提出了利用無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)到地面基站的量子糾纏分發(fā)的實(shí)驗(yàn)構(gòu)想，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是將無(wú)人機(jī)上搭載的一對(duì)糾纏光子分別發(fā)送到地面端的兩個(gè)獨(dú)立基站。要完成這個(gè)實(shí)驗(yàn)，首先需要制備一套無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)的飛行移動(dòng)量子平臺(tái)，最后再構(gòu)建地面的接收基站，完成糾纏態(tài)的測(cè)量。

量子糾纏

量子糾纏是量子力學(xué)系統(tǒng)里一種獨(dú)特的現(xiàn)象。處于糾纏態(tài)的兩個(gè)光子，它們的狀態(tài)存在關(guān)聯(lián)，當(dāng)測(cè)量得到其中一個(gè)光子的狀態(tài)時(shí)，另一個(gè)的狀態(tài)也會(huì)瞬時(shí)確定。類似于同時(shí)拋擲兩枚硬幣，如果這兩枚硬幣之間不存在糾纏，當(dāng)我們只看到其中一枚的狀態(tài)時(shí)，是無(wú)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(shí)正面朝上或同時(shí)反面朝上的糾纏態(tài)，那么，同時(shí)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(huì)受到兩枚硬幣之間距離遠(yuǎn)近的影響。因此，利用量子糾纏原理，通過(guò)合適的測(cè)量手段，就可以把一個(gè)光子的狀態(tài)完美地傳遞到遠(yuǎn)處的另一個(gè)光子上。

所謂量子糾纏分發(fā)，就是把制備好的兩個(gè)糾纏光子分別發(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。利用量子糾纏分發(fā)，可以有效證明基于無(wú)人機(jī)構(gòu)建量子鏈路的可行性。

糾纏光子對(duì)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(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是利用一種二階非線性晶體將光子分裂成一對(duì)光子，這對(duì)光子的總能量與總動(dòng)量和分裂前光子的能量與動(dòng)量相等，在這對(duì)光子之間就存在量子糾纏。

飛行移動(dòng)量子平臺(tái)

通過(guò)在集成光學(xué)方面的多年研究，我們以光學(xué)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(zhǎng)為405納米的光源和波長(zhǎng)為810納米的偏振糾纏光源組成，總質(zhì)量?jī)H為468克，比利用傳統(tǒng)光學(xué)元件搭建的糾纏光源輕數(shù)十倍[3]。同時(shí)，糾纏光子對(duì)的產(chǎn)率達(dá)到5×10對(duì)/秒，測(cè)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(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)不等式的值大于2時(shí)系統(tǒng)存在量子糾纏]的S值達(dá)到2.8070±0.006，非常接近2.828的理論極限，這說(shuō)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(dá)0.1微弧度。利用該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)量子光鏈路的可靠連接。由于無(wú)人機(jī)上搭載的發(fā)射端望遠(yuǎn)鏡口徑和地面接收端望遠(yuǎn)鏡的口徑是一致的，因此該系統(tǒng)具備極高的可擴(kuò)展性，可用于級(jí)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(shí)間40分鐘、最大載重量15千克的高穩(wěn)定性八旋翼無(wú)人機(jī)上，成功構(gòu)建了首個(gè)飛行移動(dòng)量子平臺(tái)。

基于無(wú)人機(jī)的量子糾纏分發(fā)

以這個(gè)飛行移動(dòng)量子平臺(tái)為基礎(chǔ)，我們完成了首個(gè)基于移動(dòng)平臺(tái)的量子糾纏實(shí)驗(yàn)。具體來(lái)說(shuō)，主要完成了如下的實(shí)驗(yàn)：將糾纏光源搭載于飛行的無(wú)人機(jī)上，通過(guò)兩個(gè)發(fā)射系統(tǒng)將一對(duì)糾纏光子分別向地面兩個(gè)接收基站傳輸，兩個(gè)基站對(duì)接收到的光子分別進(jìn)行投影測(cè)量，再通過(guò)符合測(cè)量實(shí)現(xiàn)貝爾測(cè)試，以驗(yàn)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(jìn)而證明我們實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)量子鏈路的成功搭建。得益于該平臺(tái)極高的信噪比，可在白天、晴朗或小雨夜晚進(jìn)行量子糾纏分發(fā)，測(cè)得CHSH不等式的S值最高達(dá)到2.49±0.06[4]。這說(shuō)明糾纏光子經(jīng)過(guò)該無(wú)人機(jī)平臺(tái)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(shí)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(lái)全天候量子網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行需求。

首個(gè)基于無(wú)人機(jī)的糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)，從原理上驗(yàn)證了無(wú)人機(jī)平臺(tái)構(gòu)建量子鏈路的可行性，并展示了其在復(fù)雜氣象環(huán)境下的工作能力，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)平臺(tái)量子鏈路從無(wú)到有的突破。但建立實(shí)用的移動(dòng)量子網(wǎng)絡(luò)，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(shí)現(xiàn)無(wú)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(huì)逐漸增大，從而導(dǎo)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(guò)使用口徑更大的望遠(yuǎn)鏡、增大光束口徑、增加瑞利距離，來(lái)降低衍射損耗，但這需要更大更重的光學(xué)元件，導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜度增加和成本上升。對(duì)于未來(lái)的多節(jié)點(diǎn)量子網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)問(wèn)題尤其致命。

其次，量子鏈路中通過(guò)光子傳輸信息，所以僅能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的鏈路構(gòu)建。為了實(shí)現(xiàn)多用戶、大范圍覆蓋的量子網(wǎng)絡(luò)，需構(gòu)建多節(jié)點(diǎn)分布式量子網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

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

針對(duì)上述問(wèn)題，我們提出了搭建光學(xué)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(guò)多個(gè)節(jié)點(diǎn)級(jí)聯(lián)連接，將一個(gè)長(zhǎng)的直接鏈路分割為多個(gè)相對(duì)短的鏈路。只要將這些鏈路的長(zhǎng)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(guò)程中衍射損耗導(dǎo)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(shí)現(xiàn)長(zhǎng)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(shí)用性?；诠庵欣^技術(shù)，可以利用大量靈活機(jī)動(dòng)的無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)建立一個(gè)移動(dòng)量子網(wǎng)絡(luò)，動(dòng)態(tài)優(yōu)化節(jié)點(diǎn)位置，避開不良天氣和障礙物進(jìn)行光學(xué)連接，大大提升量子網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力。因此，我們?cè)O(shè)計(jì)了首個(gè)基于自由空間光學(xué)中繼糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證該技術(shù)的可行性。

該實(shí)驗(yàn)在兩架飛行的無(wú)人機(jī)之間建立光量子鏈路，需要更精準(zhǔn)的光學(xué)系統(tǒng)，以保證光子無(wú)損地從一架無(wú)人機(jī)發(fā)射至另一架，并在接收后再發(fā)射出去。這對(duì)光的發(fā)射、接收精度和對(duì)準(zhǔn)精度都有很高要求，難度好似“百步穿楊”。且由于整個(gè)鏈路都需要在飛行狀態(tài)下保持性能，故對(duì)整套電學(xué)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(jìn)一步提升了整套光學(xué)系統(tǒng)的性能，同時(shí)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(shí)現(xiàn)光學(xué)中繼所需的整套中繼節(jié)點(diǎn)裝置。最終，通過(guò)光中繼技術(shù)，在兩個(gè)地面基站距離達(dá)到1千米的前提下，將單個(gè)量子鏈路的距離控制在400米以下，完成了基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的光中繼量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)。該距離在整套光學(xué)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(jì)并保證了糾纏光子的高效傳輸。實(shí)驗(yàn)測(cè)得CHSH不等式的S值為2.59±0.11，說(shuō)明糾纏光子在經(jīng)過(guò)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(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)量子節(jié)點(diǎn)從1到2的突破，為構(gòu)建可擴(kuò)展的多節(jié)點(diǎn)移動(dòng)量子網(wǎng)絡(luò)打下了基礎(chǔ)。

我們實(shí)現(xiàn)了首個(gè)基于無(wú)人機(jī)移動(dòng)平臺(tái)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(shí)現(xiàn)了光中繼的糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)，且嘗試了移動(dòng)量子鏈路距離從百米到千米級(jí)的提升。未來(lái)，隨著各機(jī)載系統(tǒng)的進(jìn)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(yuǎn)鏡系統(tǒng)可根據(jù)鏈路長(zhǎng)度、載荷等要求改進(jìn)為更緊湊、光束更小的系統(tǒng)，裝入迷你無(wú)人機(jī)中，就可以發(fā)展用于局域量子網(wǎng)絡(luò)的通信。

當(dāng)然，也可以通過(guò)將移動(dòng)量子節(jié)點(diǎn)裝載到高空無(wú)人機(jī)上，來(lái)實(shí)現(xiàn) 廣域覆蓋。通過(guò)選取無(wú)人機(jī)機(jī)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(zhǎng)距離通信。這種可擴(kuò)展的移動(dòng)量子網(wǎng)絡(luò)對(duì)于實(shí)現(xiàn)多個(gè)時(shí)空尺度的全面覆蓋至關(guān)重要。更長(zhǎng)遠(yuǎn)地看，移動(dòng)平臺(tái)的量子網(wǎng)絡(luò)可以與已有的地基（光纖）、天基（衛(wèi)星）量子鏈路功能互補(bǔ)，構(gòu)建實(shí)用化的量子互聯(lián)網(wǎng)。

[本文相關(guān)工作得到南京大學(xué)卓越計(jì)劃、江蘇省科技廳前沿引領(lǐng)項(xiàng)目、科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持，南智先進(jìn)光電集成技術(shù)研究院提供了重要技術(shù)支撐。]

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關(guān)鍵詞：量子鏈路 量子網(wǎng)絡(luò) 量子糾纏分發(fā) 光學(xué)中繼 無(wú)人機(jī) ■