由於只有兩級疊加，當今量子通信技術中使用的量子比特存儲空間有限，對干擾的容忍度低。馮實驗室的超維微雷射（上圖）產生量子點，即具有四個同時信息水平的光子。尺寸的增加使得強大的量子通信技術更適合實際應用。來源：趙浩琪
賓夕法尼亞大學工程公司的研究人員創造了一種晶片，其安全性和魯棒性超過了現有量子通信硬體的安全性和魯棒性。他們的技術以「qudit」進行通信，是以前任何片上雷射器的量子信息空間的兩倍。
材料科學與工程系（MSE）和電氣系統與工程系（ESE）教授梁峰與MSE博士後研究員張志峰和ESE博士生趙浩琦在最近發表在《自然》雜誌上的一項研究中首次介紹了該技術。該小組與米蘭理工大學、杜克大學跨學科物理和複雜系統研究所和紐約市立大學（CUNY）的科學家合作。
位、量子比特和量子位
雖然非量子晶片使用比特存儲、傳輸和計算數據，但最先進的量子設備使用量子比特。位可以是 1 或 0，而量子比特是能夠同時為 1 和 0 的數字信息單位。在量子力學中，這種同時性狀態稱為「疊加態」。
處於疊加狀態大於兩個水平的量子比特稱為 qudit，以發出這些額外維度的信號。
「在經典通信中，」馮說，「雷射可以發射編碼為1或0的脈衝。這些脈衝很容易被試圖竊取信息的攔截器克隆，因此不是很安全。在與量子比特的量子通信中，脈衝可以具有 1 到 0 之間的任何疊加狀態。疊加使得量子脈衝無法被複製。與使用複雜數學阻止黑客的算法加密不同，量子密碼學是一種確保信息安全的物理系統。
然而，量子比特並不完美。由於只有兩級疊加，量子比特的存儲空間有限，對干擾的容忍度低。
Feng Lab器件的四電平量子點使量子密碼學取得了重大進展，將信息交換的最大分泌密鑰速率從每脈衝1比特提高到每脈衝2比特。該設備提供四個級別的疊加，並為尺寸的進一步增加打開了大門。
「最大的挑戰，」張說，「是標準設置的複雜性和不可擴展性。我們已經知道如何生成這些四電平系統，但它需要一個實驗室和許多不同的光學工具來控制與尺寸增加相關的所有參數。我們的目標是在單個晶片上實現這一目標。而這正是我們所做的。
網絡安全的物理學
量子通信使用處於嚴格控制的疊加狀態的光子。位置、動量、極化和自旋等屬性在量子水平上以多重性的形式存在，每個屬性都由概率控制。這些概率描述了量子系統（原子、粒子、波）在測量時具有單一屬性的可能性。
換句話說，量子系統既不在這裡也不在那裡。他們既在這裡又在那裡。只有觀察的行為——檢測、觀察、測量——才能使量子系統具有固定的性質。就像雕像的亞原子遊戲一樣，量子疊加態一旦被觀察到就呈現出單一狀態，因此不可能在不被發現的情況下攔截它們或複製它們。
超維自旋軌道微雷射器建立在該團隊早期使用渦旋微雷射器的工作之上，渦旋微雷射器靈敏地調整光子的軌道角動量（OAM）。最新的設備通過增加對光子自旋的另一級命令來升級先前雷射器的功能。
這種額外的控制水平 - 能夠操縱和耦合OAM和旋轉 - 是使他們能夠實現四級系統的突破。
同時控制所有這些參數的困難是阻礙集成光子學中qudit生成的原因，也是該團隊工作的主要實驗成就。
「把我們光子的量子態想像成兩顆堆疊在一起的行星，」趙說。「以前，我們只有關於這些行星緯度的信息。這樣，我們最多可以創建兩個級別的疊加。我們沒有足夠的信息將它們堆疊成四個。現在，我們也有經度。這是我們以耦合方式操縱光子並實現增維所需的信息。我們正在協調每個行星的旋轉和旋轉，並使兩個行星保持彼此的戰略關係。
愛麗絲、鮑勃和夏娃的量子密碼學
量子密碼學依賴於疊加作為防篡改密封。在稱為量子密鑰分發 （QKD） 的流行加密協議中，隨機生成的量子態在發送方和接收方之間來回發送，以測試通信通道的安全性。
如果發送方和接收方（在密碼學的故事世界中總是愛麗絲和鮑勃）發現他們的消息之間存在一定程度的差異，他們就知道有人試圖攔截他們的消息。但是，如果傳輸基本保持不變，Alice 和 Bob 認為通道是安全的，並使用量子傳輸作為加密消息的密鑰。
這如何提高非量子通信的安全性？如果我們將光子想像成一個向上旋轉的球體，我們可以大致了解光子如何經典地編碼二進位數字 1。如果我們想像它向下旋轉，我們理解為0。
當愛麗絲髮送以比特編碼的經典光子時，竊聽者夏娃可以在愛麗絲或鮑勃沒有意識到的情況下竊取、複製和替換它們。即使 Eve 無法解密她竊取的數據，她也可能在不久的將來將其刪除，屆時計算技術的進步可能會讓她突破。
量子通信增加了更強大的安全層。如果我們把光子想像成一個同時向上和向下旋轉的球體，同時編碼1和0，我們就可以了解量子比特如何在其量子態中保持維度。
當 Eve 試圖竊取、複製和替換量子比特時，她捕獲信息的能力將受到損害，她的篡改將在疊加丟失中顯現出來。Alice 和 Bob 會知道該頻道不安全，並且在他們能夠證明 Eve 沒有攔截它之前不會使用安全密鑰。只有這樣，他們才會使用量子比特密鑰啟用的算法發送預期的加密數據。
然而，雖然量子物理定律可能會阻止夏娃複製截獲的量子比特，但她可能能夠擾亂量子通道。Alice 和 Bob 需要繼續生成密鑰並來回發送密鑰，直到她停止干擾。當光子在空間中傳播時坍縮疊加的意外干擾也會導致干涉圖案。
量子比特的信息空間限制為兩個級別，對這些錯誤的容忍度較低。
為了解決這些問題，量子通信需要額外的維度。如果我們想像一個光子同時在兩個不同的方向上旋轉（地球繞太陽旋轉的方式）和旋轉（地球繞自己的軸旋轉的方式），我們就會感受到馮實驗室是如何工作的。
如果夏娃試圖竊取、複製和替換 qudit，她將無法提取任何信息，她的篡改將很明顯。發送的信息對錯誤具有更大的容忍度 - 不僅對夏娃的干擾，而且對信息在空間中傳播時引入的意外缺陷。愛麗絲和鮑勃將能夠高效安全地交換信息。
「有很多人擔心，」馮說，「數學加密，無論多麼複雜，都會變得越來越無效，因為我們在計算技術上發展得如此之快。量子通信對物理而不是數學障礙的依賴使其免受這些未來威脅的影響。我們繼續開發和完善量子通信技術比以往任何時候都更加重要。
更多信息：張志峰等，四維希爾伯特空間中的自旋軌道微雷射發射，自然（2022）。DOI： 10.1038/s41586-022-05339-z
期刊信息：自然