提起2008年，5・12芦山水灾仍然是中国人难以避开的一个话题。
那场8.0级特大地震及其引起的崩塌、崩塌等次生水灾，旋即间几乎毁损了灾区全部交通基础设施与通讯设备，直接造成应急通讯车未能开进现场，震中历时数小时处于失踪状态。为防止错过抗洪抢险的黄金期，通讯军队只能借助人力背着一根根光缆登山进军灾震区，紧急搭建出一条条信息赈灾通道。
现在，这些“人肉背光缆”的救灾方法将有望被彻底改变。
日前，北京学院固体微结构化学国家重点实验室祝世宁教授团队谢臻达院士、龚彦晓院长课题组首次使用光学中继，并将光学中继的节点放在处于飞行状态的大型无人机上，成功实现了纠缠光子分发实验。
图|未来机载量子网路（来源：）
她们开创性地引入了无人机元素来交换量子信息和建立量子信息网路，进而实现了更远和更广的覆盖范围；同时，还极大便利了多节点联通量子网路的搭建，做到“即搭即用”、机动灵活；这些联通式的量子网路，还可以作为一种新型量子通信平台，与已有的地基（光纤）、天基（卫星）量子链路功能互补，建立实用化的量子互联网。
该研究成果于1月15日发表在《物理评论快报》（）上，标题为《以无人机为联通节点的光中继纠缠分布》（-usingasnodes）。论文共同第一作者为研究生刘华颖、田晓慧、范鹏飞、顾昌晟。
图|相关论文（来源：）
“这项技术一旦成熟，目前由光缆联接的相对固定的基站能够用带有光学中继的无人机取代，实现量子加密的光通讯，‘让那些基站飞上去’，因而广泛应用于一些特殊场景，例如在水灾、泥石流等洪灾发生后进行救灾抢险，或则是海上航行及其他地形复杂区域继续用网时等。”南京学院电子科学与工程大学院士、博士生导师谢臻达告诉。
以无人机为中继站量子传输速度，破解局域量子网路搭建两大挑战
仍然以来，量子通讯都被视为实现无条件信息安全传输的最佳途径。但是，要构建真正实用的量子通讯网路，仍面临着一些根本挑战。
第一，当前的单光子编码的量子链路只能构建在点对点上，除了未能在多个目的地之间发送量子信息，更难以依照实际需求在位置和时间上进行变化，而且还要不受天气条件的影响；第二，量子通讯对于链路遗失非常敏感，这除了会增加数据速度，都会影响安全性。并且在光纤等常规光通信信道中，链路遗失又显然是不可防止的。
而要彻底解决上述两大挑战，并搭建出自由空间量子光通信系统，就须要借助耗损小、保真度高的光中继系统。只有这样，能够尽量避开光传输过程中衍射耗损引致的成分辨率增加和噪音的降低，能够在保证安全性的前提下，以较高的传输速度实现长距离量子信息传输。
该研究团队以无人机作为搭载中继器的联通平台，将量子纠缠光源和光中继系统分别搭载在两架无人机上，在数千克荷载限制内实现了单光子高精度跟瞄接收和重新发射，借助光中继系统中多模光纤的耦入耦出，将高斯光束重新整形后发出，以此一举解决掉衍射耗损问题。
图|相关实验（来源：）
如上图所示，纠缠光子对在一个无人机（右侧）上形成，其中的一个光子直接传输到地面接收端（蓝色光路），另一个通过第二架无人机的光中继再传输到地面接收端（蓝色光路）。这些光学中继除了可以引导单光子光束，并且在偏振光补偿以后，光子通过多模光纤（ModeFiber，简称SMF）被投到第二个收发器单元，便于向目的地或下一个节点进行重新准直，但是每位收发器都包括一个望远镜及其捕获、指向和跟踪(,,and，简称APT)系统。
实验中，纠缠光子在分发距离1千米的情况下测得了2.59±0.11的贝尔不方程（-Horne--Holt，简称CHSH）的S值，证明了这些光学中继高度保持了光子对的纠缠特点，是一种有效的量子链路。
谢臻达直言，回顾整个研究过程，遇见过好多困难。例如，为验证该项技术在不同条件下的性能表现量子传输速度，她们要在野外进行实地实验，因此先后辗转多地，包括北京、石家庄以及西安等，条件也比较坚苦。
但最大的难点还在于大型化元件与设备的设计与开发。据介绍，为增加光学元件以及整个系统的规格和重量，把中继节点和纠缠源节点都装进其设计的飞行时间更长的八涵道无人机中，她们设法通过光学熔断器让每位链路宽度都保持在400m以下，使之保持在系统的瑞利衍射极限676m之内，因而使衍射耗损可以忽视不计。
另外，望远镜光束孔径只有26.4mm，以及重型、高能见度的紧凑机载纠缠光子源等，这样就使总有效荷载重量保持在11.8公斤以内，起飞重量为35公斤，两架无人机的实现联接时间达到40分钟。
图|AEPS、APT系统的结布光与性能（来源：）
谢臻达强调，她们研制的这些便携式系统，具有实用的、低成本的特性，适用于多节点结构，容许进行大批量生产。而且她们目前所使用的商用部件规格比实际须要的要大，这也给了她们系统进行不断减肥的空间。
“从1到2的跨越”
事实上，早在2017年，该团队就开始了相关研究，并于2020年1月首次成功实现了基于一架无人机的纠缠光子分发实验，该成果发表在刊物上，论文标题为《基于无人机的联通量子网路纠缠分布》（Drone-based）。
“在这项工作的基础上，我们完成了‘从1到2’的跨越，”谢臻达表示，“简单来说，就是今年我们是借助一架客机，去年做到用两架无人机在空中领域搭建量子链路，我们称之为光学中继纠缠分发的实验，这个实验的意义在于，一方面是引入了自由空间的光学中继，通过无人机这些联通节点重构了单光子波前，从而克服光学中继器的耗损困局。另一方面，第一次在自由空间上将两个联通量子节点联接上去，基于此就可以把自由空间中的联通量子链路推广到多节点的联接，乃至建立多节点的网路，这样就能否在任意时间、任意空间实现最大化的链接覆盖。”
所以，此次的进展意味着，她们朝着建立无人机联通量子信息网路的方向跨出了关键一步。
谈及应用一架无人机与两架无人机在技术原理上是否存在差别，谢臻达介绍道，从数学的概念上讲，这次实验做的依然是建立联通量子链路，但不同之处主要包括两点：第一点是此次研究须要借助更精确的光学装置，让光子无损地发射至第二架无人机上，并在接收后再发射出去，所以这对光的接收与对准跟踪进度都提出了很高的要求。第二点，此前的工作是在一个联通节点与一个地面的节点之间进行，相对难度较低，而如今借助两架飞行当中的无人机，这或许对于电路的跟踪精度和飞行速率等也提出了很高要求。
怎么建成世界上首个大型机载量子链路？
“这个领域国际上仍然有好多人想做，好多人在做，但只有我们率先将量子光源这种关键的技术关节打通了，因而实现了无人机在量子网路的真正落地与应用。”谢臻达表示。
他告诉，她们之所以举办这一研究，并成为国际上首个成功搭建出机载量子网路的团队，一方面源自上海学院的卓越计划的推进，另一方面是其团队具有天然的技术优势—可直接从北京学院介电体超晶格实验室研究积累中吸取技术“营养”。
据了解，该实验室从上世纪80年代就开始专注于光学微结构研究，包括量子光学、微纳米光学等，经过数六年积累，实验室成功研制出世界上第一块载流子的光量子芯片，实现多种各样光学器件的集成化，将光量子节点集成到容积更小的芯片上，这种实验成果在很大程度上为她们后来的实验奠定了基础，让无人机搭载光子讯号成为可能。
据悉，谢臻达本人还是一个不折不扣的无人机爱好者，之前还在各类无人机模型大赛中获得过亚军，对无人机的热爱、兴趣与了解，给了他把无人机与量子网路相结合的灵感。
图|谢臻达
谢臻达，北京学院电子科学与工程大学院士、博导，2005年专科结业于北京学院，2011在北京学院获得博士学位，2011年至2016年先后在德国波兰学院、加州学院纽约校区任博士后和研究科学家。截至目前，已在、、扥等海内外刊物上发表SCI论文40余篇。
谢臻达告诉，在团队的构想中，无人机的用处就在于其有大的，也有小的；有飞得高的，也有飞得低的。将来她们将顺着两个不同的思路来继续推进这一研究：
一是“往低空大型化走”。不断旨在于促进无人机大型化，重量达到数百克甚至数十克，同时使其低空飞行，进而建立近距离的局域网，并逐渐实现真正面向终端用户。
二是“往高空远距离走”。借助技术将量子讯号搭载到飞行在高空平流层的无人机上，高空由于空气比较黏稠干净，所以大大降低了空气耗损，因而能让讯号传得更远，甚至可达到“穿越几百公里”，在这基础上才能建立出一个广域网，从而满足城市省域乃至全省的讯号需求。在本次实验中，光子的传输距离为1公里，但该团队表示若将无人机联通到更高的位置，将可传输300公里。
谢臻达介绍道，这些借助无人机打造的光学链路具有可扩充性，比如可以实现自由空间的高速激光通讯，与现有的无线形式传播相比，其带宽更大，传播速率更快，这对5G甚至于将来的6G技术来说都十分重要。并且它还可以通过量子加密的形式，在保证大容量的信息传输的同时，还能达到很高的安全性。