微激光芯片为量子通信增添了新的维度

由于只有两级的叠加，当今量子通信技术中使用的量子比特存储空间有限，对干扰的容忍度很低。冯实验室的超维微激光器（上图）生成qudit，即同时具有四个信息级别的光子。维度的增加使强大的量子通信技术更适合现实世界的应用。来源：赵浩琪

宾夕法尼亚州工程的研究人员创造了一种芯片，它超越了现有量子通信硬件的安全性和鲁棒性。他们的技术以“qudit”进行通信，将之前任何片上激光器的量子信息空间翻了一番。

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材料科学与工程系（MSE）和电气系统与工程系（ESE）教授梁峰与MSE博士后研究员张志峰和ESE博士生赵浩琪一起，在最近发表在《自然》杂志上的一项研究中首次介绍了这项技术。该小组与米兰理工大学、跨学科物理和复杂系统研究所、杜克大学和纽约市立大学（CUNY）的科学家合作。

位、量子位和量子位

虽然非量子芯片使用比特存储、传输和计算数据，而最先进的量子设备使用量子比特。位可以是1s或0s，而qubits是能够同时为1和0的数字信息单位。在量子力学中，这种同时性的状态被称为“叠加”。

处于叠加状态大于两个级别的量子位称为qudit来发出这些附加维度的信号。

在经典通信中，激光可以发射编码为1或0的脉冲。这些脉冲可以很容易地被想要窃取信息的拦截器克隆，因此不是很安全。在与量子比特的量子通信中，脉冲可以在1和0之间具有任何叠加状态。叠加使它无法复制量子脉冲。与使用复杂数学阻止黑客的算法加密不同，量子密码学是一个确保信息安全的物理系统。

然而，量子位并不完美。由于只有两级叠加，量子比特的存储空间有限，对干扰的容忍度很低。

Feng Lab设备的四级qudit使量子密码学取得了重大进展，将信息交换的最大密钥速率从每个脉冲1位提高到每个脉冲2位。该设备提供四个级别的叠加，并打开门以进一步增加尺寸。

最大的挑战是标准设置的复杂性和不可扩展性。研究团队已经知道如何生成这些四级系统，但它需要一个实验室和许多不同的光学工具来控制与尺寸增加相关的所有参数。他们的目标是在单个芯片上实现这一点。

网络安全的物理学

量子通信使用处于严格控制的叠加状态的光子。位置、动量、极化和自旋等性质在量子水平上以倍数的形式存在，每个倍数都受概率支配。这些概率描述了量子系统——原子、粒子、波——在测量时采用单个属性的可能性。

换句话说，量子系统既不在这里也不在那里。他们既在这里又在那里。只有观察行为——检测、观察、测量——才能使量子系统具有固定属性。就像雕像的亚原子博弈一样，量子叠加在被观察到后立即处于单一状态，因此如果不检测或复制它们，就不可能拦截它们。

高维自旋轨道微激光器建立在团队与涡旋微激光器的更早期工作之上，涡旋微激光器灵敏地调整光子的轨道角动量（OAM）。最新设备通过在光子自旋上添加另一个级别的命令来升级以前激光器的功能。

这种额外的控制水平——能够操纵和耦合OAM和旋转——是使他们能够实现四级系统的突破。

一次控制所有这些参数的困难阻碍了集成光子学中qudit生成的原因，并代表了团队工作的主要实验成就。

赵浩琪表示，想想我们光子的量子态是两颗行星堆叠在一起的。“以前，我们只有关于这些行星纬度的信息。有了这个，我们最多可以创建两个层次的叠加。我们没有足够的信息把它们堆成四份。现在，我们也有经度。这是我们以耦合方式操纵光子并实现尺寸增加所需的信息。我们正在协调每颗行星的旋转和旋转，并将这两颗行星保持在战略关系中。”

爱丽丝、鲍勃和夏娃的量子密码学

量子密码学依赖于叠加作为一种不言而喻的印章。在一种被称为量子密钥分布（QKD）的流行加密协议中，随机生成的量子状态在发送方和接收方之间来回发送，以测试通信通道的安全性。

如果发件人和收件人（总是在密码学故事世界中的爱丽丝和鲍勃）发现他们的消息之间存在一定程度的差异，他们知道有人试图拦截他们的消息。但是，如果传输基本完好无损，爱丽丝和鲍勃理解该通道是安全的，并使用量子传输作为加密消息的密钥。

这如何改善非量子通信安全性？如果我们把光子想象成一个向上旋转的球体，我们可以大致了解光子如何经典地编码二进制数字1。如果我们想象它向下旋转，我们理解0。

当爱丽丝发送以碎片编码的经典光子时，窃听者夏娃可以在爱丽丝或鲍勃没有意识到的情况下窃取、复制和替换它们。即使夏娃无法解密她偷走的数据，她也可能在不久的将来把它扔掉，届时计算技术的进步可能会让她突破。

量子通信增加了一层更强大的安全性。如果我们把光子想象成一个同时向上和向下旋转的球体，同时编码1和0，我们就会知道量子位如何保持其量子状态的维度。

当夏娃试图窃取、复制和替换量子比特时量子通信应用，她捕获信息的能力将受到损害，她的篡改将明显丧失叠加。爱丽丝和鲍勃会知道该频道不安全，在他们能够证明夏娃没有拦截它之前，他们不会使用安全密钥。只有这样，他们才会使用量子比特密钥启用的算法发送预期的加密数据。

然而，虽然量子物理学定律可能会阻止夏娃复制截获的量子比特，但她可能能够扰乱量子通道。爱丽丝和鲍勃需要继续生成密钥并来回发送，直到她停止干扰。当光子在空间中传播时坍塌叠加的意外扰动也助长了干扰模式。

量子位的信息空间仅限于两个级别，对这些错误的容忍度很低。

为了解决这些问题，量子通信需要额外的维度。如果我们想象一个光子同时旋转（地球绕太阳旋转的方式）和旋转（地球在自己的轴上旋转的方式），我们就会感受到Feng Lab qudits的工作原理。

如果夏娃试图窃取、复制和替换qudit，她将无法提取任何信息，她的篡改将很明显。发送的消息将对错误有更大的容忍性——不仅对夏娃的干扰，而且对消息在空间传播时引入的意外缺陷也是如此。爱丽丝和鲍勃将能够高效、安全地交换信息。

人们非常担心，数学加密，无论多么复杂，都会变得越来越无效，因为我们在计算技术方面进展如此之快。量子通信依赖物理障碍而不是数学障碍，使其免受这些未来的威胁。我们比以往任何时候都更重要的是继续开发和完善量子通信技术。

（编辑：晋中站长网）

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