美國賓夕法尼亞大學工程學院領導的研究小組發明了一種芯片，其安全性和穩健性超過了現有的量子通信硬件。他們的技術通過“量子電碼”進行通信，使任何一種以前的芯片上激光器的量子信息空間的兩倍。

材料科學與工程系（MSE）和電氣系統與工程系（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表在《自然》雜志上的一項研究中首次介紹了該技術。該小組與米蘭理工大學、杜克大學跨學科物理和復雜系統研究所和紐約市立大學（CUNY）的科學家們合作。

非量子芯片使用比特存儲、傳輸和計算數據，而最先進的量子設備使用量子比特。比特可以是1或0，而量子比特是能夠同時為1和0的數字信息單位。在量子力學中，這種同時狀態被稱為“疊加”。疊加狀態大于兩個能級的量子比特被稱為量子電碼，它可存在于0、1和2等多個態中。

由于只有兩個能級的疊加，量子比特的存儲空間有限，對干擾的容忍度很低。新超維微型激光器（上圖）生成量子電碼，即具有四個同步信息級別的光子。維度的增加使得強大的量子通信技術更適合現實世界的應用。

此次，新實驗室設備的四能級量子密鑰使量子密碼學取得了重大進展，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。該設備提供了四個層次的疊加，并為進一步增加尺寸打開了大門。

研究人員表示，最大的挑戰是標準設置的復雜性和不可擴展性。雖然知道如何生成這些四能級系統，但它需要一個實驗室和許多不同的光學工具來控制與維度增加相關的所有參數。現在，他們在單一芯片上實現了這一點。

量子通信使用處于嚴格控制的疊加態的光子。像位置、動量、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，每一個屬性都由概率決定。只有在探測、觀察或測量時，才能確定量子系統在瞬間呈現出的特定性質。

此次的超維自旋軌道微激光器建立在該團隊早期使用渦旋微激光器的基礎上，渦旋微激光器可以靈敏地調整光子的軌道角動量。最新的設備通過在光子自旋上增加另一個級別的命令來升級以前的激光器的能力。這種額外的控制級別能夠操縱并耦合軌道角動量和自旋，使研究團隊能夠生成四能級系統。

同時控制所有這些參數的困難一直是阻礙集成光子學中量子激光產生的原因，也是該團隊工作的主要實驗成就。

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

審核編輯：郭婷