微型激光芯片为量子通信增加了新的维度

PennEngineering的研究人员创造了一种芯片，其安全性和稳健性超过了现有量子通信硬件。他们的技术以“qudits”进行通信，使任何以前的片上激光器的量子信息空间加倍。

材料科学与工程系(MSE)和电气系统与工程系(ESE)教授LiangFeng，以及MSE博士后张志峰和ESE博士。学生HaoqiZhao在最近发表在《自然》杂志上的一项研究中首次展示了这项技术。该小组与米兰理工大学、跨学科物理与复杂系统研究所、杜克大学和纽约城市大学(CUNY)的科学家合作。

位、量子位和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。位可以是1或0，而量子位是能够同时为1和0的数字信息单元。在量子力学中，这种同时性状态称为“叠加”。

处于大于两个级别的叠加状态的量子位称为qudit，以表示这些额外的维度。

“在经典通信中，”冯说，“激光可以发射编码为1或0的脉冲。这些脉冲很容易被试图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。与阻止黑客使用复杂数学的算法加密不同，量子密码学是一种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，对干扰的容忍度低。

FengLab设备的四级qudits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位提高到每脉冲2位。该设备提供四级叠加，并打开了进一步增加尺寸的大门。

“最大的挑战，”张说，“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所有相关参数随着尺寸的增加。我们的目标是在单个芯片上实现这一目标。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状态的光子。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，量子系统既不存在也不存在。他们在这里和那里。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。就像雕像的亚原子游戏一样，量子叠加一旦被观察到就会呈现单一状态，因此不可能在不检测的情况下拦截它们​​或复制它们。

超维自旋轨道微型激光器建立在团队早期使用涡旋微型激光器的工作之上，涡旋微型激光器可以灵敏地调整光子的轨道角动量(OAM)。最新的设备通过添加另一个级别的光子自旋命令来升级以前的激光器的功能。

这种额外的控制级别——能够操纵和耦合OAM和自旋——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是阻碍集成光子学中qudit生成的原因，代表了该团队工作的主要实验成果。

“把我们光子的量子态想象成两个相互堆叠的行星，”赵说。“以前，我们只有这些行星的纬度信息，有了这些信息，我们最多可以创建两层叠加，我们没有足够的信息将它们叠加成四层。现在，我们还有经度。这是我们需要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。”

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防篡改密封。在称为量子密钥分发(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。

如果发送方和接收方(在密码学的故事世界中总是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，他们才会使用量子位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。

一个量子比特的信息空间，仅限于两个层次，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FengLabqudits的工作原理。

如果Eve试图窃取、复制和替换qudit，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——不仅是对夏娃的干扰，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。

“有很多人担心，”冯说，“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步如此之快。量子通信对物理而不是数学障碍的依赖使其免疫应对这些未来的威胁。我们继续开发和改进量子通信技术比以往任何时候都更加重要。”