微型激光芯片通過“量子電碼”進(jìn)行通信

美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)工程學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)的研究小組發(fā)明了一種芯片，其安全性和穩(wěn)健性超過了現(xiàn)有的量子通信硬件。他們的技術(shù)通過“量子電碼”進(jìn)行通信，使任何一種以前的芯片上激光器的量子信息空間的兩倍。

材料科學(xué)與工程系（MSE）和電氣系統(tǒng)與工程系（ESE）教授梁峰與MSE博士后研究員張志峰和ESE博士生趙浩琦在最近發(fā)表在《自然》雜志上的一項(xiàng)研究中首次介紹了該技術(shù)。該小組與米蘭理工大學(xué)、杜克大學(xué)跨學(xué)科物理和復(fù)雜系統(tǒng)研究所和紐約市立大學(xué)（CUNY）的科學(xué)家們合作。

非量子芯片使用比特存儲(chǔ)、傳輸和計(jì)算數(shù)據(jù)，而最先進(jìn)的量子設(shè)備使用量子比特。比特可以是1或0，而量子比特是能夠同時(shí)為1和0的數(shù)字信息單位。在量子力學(xué)中，這種同時(shí)狀態(tài)被稱為“疊加”。疊加狀態(tài)大于兩個(gè)能級(jí)的量子比特被稱為量子電碼，它可存在于0、1和2等多個(gè)態(tài)中。

由于只有兩個(gè)能級(jí)的疊加，量子比特的存儲(chǔ)空間有限，對(duì)干擾的容忍度很低。新超維微型激光器（上圖）生成量子電碼，即具有四個(gè)同步信息級(jí)別的光子。維度的增加使得強(qiáng)大的量子通信技術(shù)更適合現(xiàn)實(shí)世界的應(yīng)用。

此次，新實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的四能級(jí)量子密鑰使量子密碼學(xué)取得了重大進(jìn)展，將信息交換的最大密鑰速率從每脈沖1比特提高到每脈沖2比特。該設(shè)備提供了四個(gè)層次的疊加，并為進(jìn)一步增加尺寸打開了大門。

研究人員表示，最大的挑戰(zhàn)是標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置的復(fù)雜性和不可擴(kuò)展性。雖然知道如何生成這些四能級(jí)系統(tǒng)，但它需要一個(gè)實(shí)驗(yàn)室和許多不同的光學(xué)工具來控制與維度增加相關(guān)的所有參數(shù)?，F(xiàn)在，他們?cè)趩我恍酒蠈?shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)。

量子通信使用處于嚴(yán)格控制的疊加態(tài)的光子。像位置、動(dòng)量、極化和自旋這樣的屬性在量子水平上以多重性的形式存在，每一個(gè)屬性都由概率決定。只有在探測(cè)、觀察或測(cè)量時(shí)，才能確定量子系統(tǒng)在瞬間呈現(xiàn)出的特定性質(zhì)。

此次的超維自旋軌道微激光器建立在該團(tuán)隊(duì)早期使用渦旋微激光器的基礎(chǔ)上，渦旋微激光器可以靈敏地調(diào)整光子的軌道角動(dòng)量。最新的設(shè)備通過在光子自旋上增加另一個(gè)級(jí)別的命令來升級(jí)以前的激光器的能力。這種額外的控制級(jí)別能夠操縱并耦合軌道角動(dòng)量和自旋，使研究團(tuán)隊(duì)能夠生成四能級(jí)系統(tǒng)。

同時(shí)控制所有這些參數(shù)的困難一直是阻礙集成光子學(xué)中量子激光產(chǎn)生的原因，也是該團(tuán)隊(duì)工作的主要實(shí)驗(yàn)成就。

研究人員表示，可把光子的量子態(tài)想象成兩顆行星堆疊在一起。以前只有關(guān)于這些行星緯度的信息，現(xiàn)在也有了經(jīng)度，這是以耦合的方式操縱光子并實(shí)現(xiàn)維度增加所需的信息，從而能將它們疊加成四級(jí)。

審核編輯：郭婷