微激光芯片为量子通信、计算增添潜力

研究人员宾夕法尼亚大学工程创造了一种芯片，其安全性和健壮性超过了现有量子通信硬件。他们的技术以“量子比特”(qudits)进行通信，比以往任何片上激光器的量子信息空间都扩大了一倍。

凉风材料科学与工程系(MSE)和电气系统与工程系(ESE)教授张志峰(音译)，以及MSE博士后张志峰(音译)和ESE博士生赵浩奇(音译)，首次亮相该技术最近的一项研究发表在自然．

比特，量子位和量子位

非量子芯片使用比特存储、传输和计算数据，而量子设备使用量子位。比特可以是1或0，而量子位是数字信息的单位，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”。

叠加态大于两个能级的量子比特称为量子比特说来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。这些脉冲很容易被寻求窃取信息的拦截器克隆，因此不是很安全。在使用量子位的量子通信中，脉冲可以具有1到0之间的任何叠加态。叠加使得量子脉冲不能被复制。与使用复杂数学方法阻止黑客的算法加密不同，量子加密是一种保证信息安全的物理系统。”

然而，量子比特并不完美。由于只有两层叠加，量子位的存储空间有限，对干扰的容忍度很低。

的冯实验室该设备的四级量子使量子密码学取得了重大进展，将信息交换的最大秘钥速率从每脉冲1比特提高到每脉冲2比特。该设备提供了四个层次的叠加，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度增加相关的所有参数。我们的目标是在一个芯片上实现这一点。这正是我们所做的。”

网络安全物理学

量子通信使用的是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样性的形式存在，每一种都由概率决定。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。他们都在这里和那里。只有观察——探测、观察、测量——才能使量子系统具有固定的性质。就像亚原子的雕像游戏一样，量子叠加态一旦被观察到，就会呈现出单一的状态，因此不可能在不被探测或复制的情况下拦截它们。

超维自旋轨道微激光器建立在该团队的涡旋微激光器的早期工作它能灵敏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层次的指挥，升级了以前激光器的能力。

这种额外的控制级别——能够操纵并结合OAM和spin——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阻碍量子比特生成的原因，也是该团队工作的主要实验成就。

“把我们光子的量子态想象成两颗行星叠在一起，”赵说。“以前，我们只知道这些行星的纬度。这样，我们就可以创建最多两层的叠加。我们没有足够的信息把它们分成四个。现在，我们还有经度。这是我们以耦合方式操纵光子并实现维数增加所需要的信息。我们正在协调两颗行星的自转和旋转，使两颗行星保持战略关系。”

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的密封。在一种被称为量子密钥分发(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(总是密码学故事世界里的爱丽丝和鲍勃)发现他们的信息之间有一定的差异，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整，Alice和Bob认为通道是安全的，并使用量子传输作为加密消息的密钥。

这将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，我们就理解为0。

当爱丽丝发送以比特编码的经典光子时，窃听者伊芙可以在爱丽丝或鲍勃意识不到的情况下窃取、复制和替换它们。即使伊芙无法解密她所窃取的数据，她也可能会把它藏起来，以备不久的将来，当计算技术的进步可能会让她得以突破。

量子通信增加了更强的安全层。如果我们把光子想象成一个同时向上和向下旋转的球体，同时编码1和0，我们就可以了解量子比特如何在其量子状态下保持维数。

当Eve试图窃取、复制和替换量子比特时，她获取信息的能力将受到损害，她的篡改将在叠加的损失中明显体现出来。Alice和Bob会知道这个通道不安全，在他们能证明Eve没有拦截它之前，他们不会使用安全密钥。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，尽管量子物理定律可能会阻止伊芙复制被拦截的量子比特，但她可能会扰乱量子通道。Alice和Bob需要继续生成密钥并来回发送，直到她停止干涉。当光子在空间中行进时，偶然的扰动使叠加态崩溃，也会造成干涉图样。

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向两个不同的方向旋转(地球绕太阳旋转的方式)和旋转(地球绕自己的轴旋转的方式)，我们就能了解冯实验室的量子计算是如何工作的。

如果Eve试图窃取，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——不仅是伊芙的干扰，还包括信息在太空中传播时出现的意外缺陷。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，将变得越来越不有效，因为我们在计算技术上进步如此之快。量子通信依赖于物理障碍，而不是数学障碍，这使得它不受这些未来威胁的影响。继续开发和完善量子通信技术比以往任何时候都更重要。”

-由Chris Vavra编辑，网页内容经理，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com．

您是否具有本内容中提到的主题的经验和专业知识?你应该考虑为我们的CFE媒体编辑团队做出贡献，并获得你和你的公司应得的认可。点击在这里开始这个过程。