量子糾纏是一種奇異的量子力學現象，處於糾纏態的兩個光子不論相距多遠都存在一種關聯，其中一個量子狀態發生改變，另一個的狀態會瞬時發生改變。把兩個糾纏光子分別發送到兩個點，通過觀察兩個點的投影測量結果，就可以驗證量子糾纏是否存在。這一特性如果應用在通信領域，可以觀察兩個點的光子的糾纏態是否丟失，來判斷信息是否被竊聽。

而自由空間的光傳輸會發生衍射，造成信息丟失或帶來噪聲，使用光學中繼站，可以讓信息在傳輸中更大程度地保真，讓長距離傳輸的量子信息也能精準安全抵達。

基於無人機的光學中繼量子糾纏分發示意圖 課題組供圖

前不久，中國科學院院士祝世寧領銜的南京大學固體微結構物理國家重點實驗室謝臻達、龔彥曉教授課題組在一項實驗中，在兩架相距200米的重約35千克的無人機和地面之間構建了一個小型的量子通信網絡，並向地面相距1公里的兩個望遠鏡，分別發送一個光子，最終測得了高保真度的具有糾纏特性的光子對。

這一成果近日發表於物理學旗艦刊物《物理評論快報》。美國物理學會的《物理》、美國《科學新聞》和英國《新科學家》等國際三大專業科學媒體對研究的重要意義進行評價。

無人機移動量子網絡構想圖，課題組供圖

用無人機做量子網絡中繼站，單模光纖接發信號降損

想組建信息傳輸網絡，必須要依靠“中繼站”，這有點類似無線移動通信的基站。如果信息在歷經中轉後依然能準確無誤的抵達目的地，就要求中繼站一要損耗小，二要保真度高。

一年前，該團隊嘗試由一架無人機中在空中分別向兩個便攜式地面站發送光子，並首次成功實現基於無人機的糾纏光子分發。當時，為了收集光子，每個地面站都配備了一個26毫米口徑的望遠鏡，以及一個單光子探測器。

然而，光通信形式的一個主要挑戰來自衍射。隨著單個光子的傳播，其波前會像手電筒的光束一樣擴散展開。

如果這種擴散使得波前大於望遠鏡的孔徑，那麼光子被收集的機會就會減小。想實現糾纏光子更遠距離的傳輸，必須克服光的衍射帶來的損失，這就要構建光的准直系統，中繼站便是關鍵。

在此次實驗中，研究團隊添加了第二架無人機，作為第一架無人機和地面站之間的中繼站。

“我們在一架無人機上搭載了一個糾纏光子源，並將其中一個光子發送到距離400米遠的地面站的望遠鏡上。再將第二個光子，通過單模光纖發送到第二架無人機上，第二架無人機上直徑4微米的單模光纖接收後，再將其發送到第二個地面站的望遠鏡上。第二架無人機接收光子的過程類似於聚焦透鏡，重塑了光子的波前。這樣一來，光子到達另一個地面站望遠鏡上的機會變得更大了。”此次論文的通訊作者之一謝臻達教授告訴科技日報記者，這是他們在無人機糾纏光子分發實驗光路中首次使用光學中繼以減少損耗，並且將光學中繼的節點放到了處於飛行狀態的小型無人機上，在數千克的載荷限制內實現單光子的高精度跟瞄接收和重新發射，尤如百步穿楊。

值得欣喜的是，實驗成功了，“測量發現，通過光學中繼，糾纏光子分發的距離突破了小型光學系統的衍射限制，在分發距離1千米的情況下，測得貝爾不等式S值達到2.59 ±0.11的，證明了這種光學中繼高度保持了光子對的糾纏特性，是一種有效的量子鏈路。”謝臻達說。

基於無人機的光學中繼量子糾纏分發的實驗實景照片 課題組供圖