宾大冯亮团队开发的单芯片成功将量子信息空间翻倍

光子盒研究院出品

近日，宾夕法尼亚大学（UPenn）的研究人员开发了一种芯片，这项技术以高维“qudits”(能级大于2的量子信息单元)进行通信，相比以前任何片上激光器，实现量子信息空间翻倍，超越了现有量子通信硬件的安全性和鲁棒性。

冯亮

UPenn材料科学与工程系（MSE）和电气系统与工程系（ESE）的教授冯亮，以及MSE的博士后、南京大学现代工程与应用科学学院副教授（准聘）张智峰、ESE的博士生Haoqi Zhao，在11月16日发表在《自然》上的《在四维希尔伯特空间发射的自旋轨道微激光器》中首次介绍了这项技术[1]。

该小组与来自米兰理工大学、跨学科物理和复杂系统研究所、杜克大学和纽约市立大学（CUNY）的科学家合作。

01

比特、量子比特和qudit

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则使用量子比特。比特可以是1或0，而量子比特是数字信息的单位，能够同时是1和0。在量子力学中，这种同时性的状态被称为“叠加”。处于叠加状态且大于两能级的量子比特被称为qudit，以表示更多的状态。

“在经典通信中，”冯教授说[2]：“一个激光器可以发射一个编码为1或0的脉冲。这些脉冲很容易被想要窃取信息的拦截者克隆，因此不是很安全。在使用量子比特的量子通信中，脉冲可以有1和0之间的任何叠加状态。叠加使得量子脉冲无法被复制。与算法加密不同，算法加密是用复杂的数学来阻止黑客，而量子密码学是一个物理系统，可以保证信息安全。”

然而，量子比特并不完美。由于只有两能级叠加，量子比特的存储空间有限，对干扰的容忍度低。

冯亮实验室设备的四能级qudit使量子密码学取得重大进展，将信息交换的最大保密密钥率从每脉冲1比特提高到每脉冲2比特：该装置提供了四能级叠加，为进一步提高维度打开了大门。

张智峰说：“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尺寸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目标，而这正是我们所做的。”

02

网络安全的物理学

量子通信使用处于严格控制的叠加状态光子。位置、动量、偏振和自旋等属性在量子层面上以倍数的形式存在，其中每一个都受概率的制约：这些概率描述了一个量子系统（一个原子、一个粒子、一个波），在被测量时具有单一属性的可能性。

换句话说，量子系统既不在这里也不在那里；同时，它们既在这里又在那里。只有观察的行为：检测、观察、测量，才导致量子系统具有固定的属性。量子叠加一旦被观察到就会呈现出一种单一的状态，从而不可能在不被发现的情况下拦截它们或复制它们。

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工作基础上[3]，它能敏感地调整光子的轨道角动量（OAM）。最近的装置通过增加对光子自旋的另一层次的控制，升级了以前的激光器的能力。

超维自旋-轨道微激光器

微型激光器的光学设置和光谱表征。

这种额外的控制能级能够操纵和耦合OAM和自旋，并使得该团队能够实现四能级系统的突破。

不过，一次性控制所有这些参数的困难是一直阻碍集成光子学中qudit生成的原因；同时，代表了该团队工作的主要实验成就。

“把我们的光子的量子态想象成两颗相互堆叠的行星，”Haoqi Zhao说：“以前，我们只有关于这些粒子的纬度信息。有了这些信息，我们最多可以创造两个层次的叠加。我们没有足够的信息将它们叠加成四层。现在，我们也有了经度。这是我们需要的信息，以耦合的方式操纵光子，实现维度的增加。我们正在协调每个粒子的旋转和自旋，并将两个粒子保持在彼此的关系中。”

通过精细控制环间耦合的四能级布洛赫超球体

03

不止量子计算，量子密码学也需要四能级系统

量子密码学依靠叠加作为一种防篡改的密封。在量子密钥分发（QKD）的密码学协议中，随机生成的量子态在发送方和接收方之间来回发送，以测试通信渠道的安全性。

如果发送方和接收方（Alice和Bob）发现他们的信息之间有一定程度的差异，他们就知道有人试图拦截他们的信息。但是，如果传输基本保持完好，Alice和Bob就会理解这个通道是安全的，并将量子传输作为加密信息的钥匙。

这对非量子通信的安全性有什么改进？如果我们把光子想象成一个向上旋转的球体，我们就可以大致了解光子如何对二进制数字1进行经典编码。如果我们想象它向下旋转，我们就能理解0。

当Alice发送用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无法解密她所窃取的数据，她也可能将其藏匿起来，等待不久的将来，计算技术的进步可能让她突破。

量子通信增加了一个更强大的安全层。如果我们把光子想象成一个同时向上和向下旋转的球体，同时对1和0进行编码，我们就能了解量子比特如何在其量子态下保持维度。

当Eve试图偷窃、复制和替换量子比特时，她捕捉信息的能力将受到影响，她的篡改将在叠加的损失中显现出来。Alice和Bob将知道信道是不安全的，并且不会使用安全密钥，直到他们能够证明Eve没有截获它。只有到那时，他们才会使用由量子比特密钥启用的算法发送预定的加密数据。

然而，虽然量子物理定律可能会阻止Eve复制被截获的量子比特，但她可能会干扰量子通道。Alice和Bob将需要继续生成密钥并来回发送，直到她停止干扰。当光子在空间中旅行时，意外的干扰使叠加效应崩溃，这也是干扰模式的原因。

一个限于两能级的量子比特的信息空间，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（地球围绕太阳旋转的方式）和旋转（地球在自己的轴上旋转的方式），我们就能感受到冯亮实验室的qudit是如何工作的。

如果Eve试图偷窃、复制和替换qudit，她将无法提取任何信息，她的篡改将是明确的。发送的信息将有更大的容错性：不仅是对Eve的干扰，而且也是对信息在空间旅行时引入的意外缺陷；Alice和Bob将能够有效和安全地交换信息。

“有很多人担心，”冯亮说：“数学加密，无论多么复杂，都会变得越来越不有效，因为我们在计算技术方面的发展如此迅速。量子通信对物理而非数学障碍的依赖使其对这些未来的威胁具有免疫力，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。”

参考链接：

[1]https://www.nature.com/articles/s41586-022-05339-z

[2]https://phys.org/news/2022-11-microlaser-chip-dimensions-quantum-communication.html

[3]https://www.science.org/doi/10.1126/science.abb8091