宾夕法尼亚大学工程学院的研究人员创造了一种芯片，其安全性和鲁棒性超过了现有的量子通信硬件。他们的技术以“qudits”进行通信，量子信息空间是以往任何片上激光器的两倍。

材料科学与工程系(MSE)和电气系统与工程系(ESE)的Liang Feng教授，以及 MSE 博士后Zhifeng Zhang和ESE博士生Haoqi Zhao ，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。该团队与来自米兰理工大学、跨学科物理和复杂系统研究所、杜克大学和纽约城市大学的科学家合作。

比特、量子比特和Qudits

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。比特可以是1或0，而量子比特是数字信息单位，可以同时是1和0。在量子力学中，这种同时状态被称为“叠加”。

一个叠加状态大于两个能级的量子比特被称为“qudits”，以表示这些额外的维度。

Feng说：“在经典通信中，激光可以发射编码为 1 或 0 的脉冲。这些脉冲很容易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，脉冲可以具有 1 和 0 之间的任何叠加态。叠加使得量子脉冲无法被复制。与使用复杂数学阻止黑客的算法加密不同，量子密码是一种确保信息安全的物理系统。”

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

Feng实验室设备的四能级量子比特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脉冲1比特提高到每脉冲2比特。该装置提供了四层叠加，并为进一步增加尺寸打开了大门。

Zhang说：“最大的挑战是标准设置的复杂性和不可扩展性。我们已经知道如何生成这些四能级系统，但它需要一个实验室和许多不同的光学工具来控制与维数增加相关的所有参数。我们的目标是在单个芯片上实现这一点。而这正是我们所做的。”

网络安全物理学

量子通信使用处于严格控制的叠加态的光子。位置、动量、极化和自旋等属性在量子水平上以多重形式存在，每一个都由概率决定。这些概率描述了一个量子系统（一个原子、一个粒子、一个波）在被测量时呈现单一属性的可能性。

换句话说，量子系统不在这里也不在那里。它们都在这里和那里。只有观察行为（检测、观察、测量）才会导致量子系统具有固定的属性。就像亚原子的雕像游戏一样，量子叠加态一旦被观测到，就会呈现出一种单一的状态，在不检测或复制它们的情况下，就不可能拦截它们。

超维自旋轨道微激光器建立在该团队早期的涡旋微激光器的基础上，涡旋微激光器可以敏感地调整光子的轨道角动量(OAM)。最新的设备通过在光子自旋上增加另一个级别的命令，升级了先前激光器的能力。

这种额外的控制水平能够操纵并耦合OAM和自旋，是使他们能够实现四级系统的突破。

同时控制所有这些参数的困难是集成光子学中量子生成的障碍，也是该团队工作的主要实验成果。

Zhao说：“把光子的量子态想象成两个行星堆叠在一起，”“以前，我们只有关于这些行星纬度的信息，我们最多可以创建两层叠加。我们没有足够的信息将它们堆叠成四个。现在，我们也有经度。这是我们以耦合方式操纵光子并实现维度增加所需的信息。我们正在协调每个行星的自转和自转，并使两个行星彼此保持战略关系。”

Alice、Bob和Eve的量子密码学

量子密码学依赖于叠加作为防篡改密封。在量子密钥分发 (QKD) 这种流行加密协议中，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。

如果发送方和接收方（在密码学的故事中总是Alice和Bob）发现他们的消息之间存在一定程度的差异，他们就知道有人试图拦截他们的消息。但是，如果传输基本保持完好，Alice 和 Bob 就会知道该通道是安全的，并使用量子传输作为加密消息的密钥。

这如何提高非量子通信的安全性？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，我们就理解为 0。

当 Alice 发送以比特编码的经典光子时，窃听者 Eve 可以在 Alice 或 Bob 没有意识到的情况下窃取、复制和替换它们。即使 Eve 无法解密她窃取的数据，她也可能会在不久的将来将其储存起来，届时计算技术的进步可能会让她有所突破。

量子通信增加了更强大的安全层。如果我们将光子想象成同时向上和向下旋转的球体，同时编码 1 和 0，我们就会了解量子位如何在其量子态中保持维度。

当 Eve 试图窃取、复制和替换量子比特时，她捕获信息的能力将受到损害，并且她的篡改将在叠加损失中显而易见。Alice 和 Bob 将知道该通道不安全，并且在他们能够证明 Eve 没有拦截之前不会使用安全密钥。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 Eve 复制截获的量子位，但她可能会扰乱量子通道。Alice 和 Bob 将需要继续生成密钥并来回发送它们，直到她停止干扰。当光子在空间中传播时，使叠加态崩溃的意外干扰也有助于形成干涉图样。

量子比特的信息空间被限制在两个级别，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在两个不同的方向上旋转（地球绕太阳旋转的方式）和自旋（地球自转的方式），我们就会了解 Feng实验室“qudits”的工作原理。

如果 Eve 试图窃取、复制和替换量子比特，她将无法提取任何信息，并且她的篡改将是显而易见的。发送的消息将对错误有更大的容忍度——不仅是对Eve的干扰，而且对消息在太空中传播时引入的意外缺陷也是如此。Alice 和 Bob 将能够高效、安全地交换信息。

Feng说：“有很多人担心，”“无论数学加密多么复杂，都会变得越来越低效，因为我们在计算技术方面进步如此之快。量子通信对物理而非数学障碍的依赖使其免受这些未来威胁的影响。我们继续开发和完善量子通信技术比以往任何时候都更重要。”

原文链接：https://www.hpcwire.com/off-the-wire/microlaser-chip-adds-new-dimensions-to-quantum-communication/

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