纠缠四个光子的芯片开启了不可侵犯的量子加密的可能性

与依赖数学算法的传统加密不同，量子加密基于物理原理确保安全性。通过不可避免的量子态改变，可以保证间谍或干扰的检测。

两种系统的比较结果令人印象深刻。目前，经典超级计算机需要数千年才能破解强加密，但使用足够强大的量子计算机，只需几秒就能破译同样的密码。

巴西圣保罗州圣卡洛斯联邦大学 (UFSCar) 物理系研究员 Paulo Henrique Dias Ferreira 表示：“这凸显了开发和实施不受此类能力影响的量子安全协议的迫切需要。”

在意大利米兰理工大学博士后实习期间，费雷拉与 Roberto Osellame 教授领导的团队合作，为在光子芯片上创建和表征纠缠四光子 GHZ(Greenberg-Horne-Zeilinger)态做出了重大贡献。 该研究发表在npj Quantum Information杂志上。

费雷拉说： “这项研究将量子点技术与玻璃光子电路相结合，代表了设备增强和集成方面的一个里程碑，为安全高效的量子通信开辟了新的可能性。”

在量子信息理论领域，GHZ 态是一种纠缠态，至少涉及三个子系统(粒子态、量子比特或量子位)。它最早由 Daniel Greenberger、Michael Horne 和 Anton Zeilinger 在 20 世纪 80 年代末研究。在这项研究中，电路通过飞秒激光加工写在玻璃芯片上，从而创建了三维 (3D) 波导，可以实现精确的光子操控。

“我们选择使用玻璃基质进行生产，因为它很容易制作原型。此外，与传统的光刻或电子束写入不同，在单个阶段制造可产生 3D 波导。通过热移位器获得的电路可重构性允许对光子的光学相位进行微调，这对于所需的重叠至关重要，”费雷拉说。

他用一个比喻来解释该设备如何发挥其加密功能。“想象一下你有四枚硬币。在正常状态下，每枚硬币在随机抛出时都可以独立地处于正面或反面的位置，但在纠缠的 GHZ 状态下，所有四个光子都以特殊方式连接：当观察时，所有硬币都是正面或反面，并且永远不会发生混合组合。

“这种状态可以用数学描述为量子重叠，其中每个光子都与其他三个光子纠缠在一起，没有经典的模拟。这种联系非常牢固，当你验证一个光子时，无论它们之间的距离有多远，你都会立即知道其他三个光子的状态。在硬币的类比中，一旦你发现一枚硬币是正面(而不是反面)，其他硬币也一定是正面，”他说。

这一现象可用于实现量子秘密共享系统，其中监管者与多位参与者安全地共享密钥。任何未经授权的访问尝试都会改变量子相关性，从而允许立即检测。

“例如，如果入侵者试图测量其中一个粒子的状态以获取有关密钥的信息，则该测量将不可避免地使该粒子的量子态崩溃并改变所有相关粒子之间原始的量子相关性。当协议中的合法参与者比较部分数据时，他们可以检测到由这种干扰引起的差异，”他解释说。

费雷拉表示，在商业交易中使用 GHZ 状态不仅可以加强通信安全性，还可以提供强大的入侵者检测机制，这对于在日益数字化和互联互通的世界中保护敏感数据至关重要。

他说：“使用 GHZ 状态和其他纠缠协议的量子系统提供了一种即使是最先进的量子计算机也无法破解的解决方案，因为任何干扰量子通道的尝试都会改变所涉及粒子的状态，从而可以立即检测到任何入侵者。”

文章展示了在光子芯片中产生高保真度纠缠GHZ态的可行性，为量子器件的大规模生产铺平了道路。

他说：“随着不断的进步，我们可以期待这些系统被融入到通信和计算基础设施中，从而开启一个安全和高效的新时代。”