賓夕法尼亞州工程的研究人員創(chuàng)造了一種芯片，它超越了現(xiàn)有量子通信硬件的安全性和魯棒性。他們的技術(shù)以“qudit”進行通信，將之前任何片上激光器的量子信息空間翻了一番。

我是斜杠青年，一個被前沿科技耽誤掙錢的“雜食性”學(xué)者！

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博士生趙浩琪一起，在最近發(fā)表在《自然》雜志上的一項研究中首次介紹了這項技術(shù)。該小組與米蘭理工大學(xué)、跨學(xué)科物理和復(fù)雜系統(tǒng)研究所、杜克大學(xué)和紐約市立大學(xué)（CUNY）的科學(xué)家合作。

位、量子位和量子位

雖然非量子芯片使用比特存儲、傳輸和計算數(shù)據(jù)，而最先進的量子設(shè)備使用量子比特。位可以是1s或0s，而qubits是能夠同時為1和0的數(shù)字信息單位。在量子力學(xué)中，這種同時性的狀態(tài)被稱為“疊加”。

處于疊加狀態(tài)大于兩個級別的量子位稱為qudit來發(fā)出這些附加維度的信號。

在經(jīng)典通信中，激光可以發(fā)射編碼為1或0的脈沖。這些脈沖可以很容易地被想要竊取信息的攔截器克隆，因此不是很安全。在與量子比特的量子通信中，脈沖可以在1和0之間具有任何疊加狀態(tài)。疊加使它無法復(fù)制量子脈沖。與使用復(fù)雜數(shù)學(xué)阻止黑客的算法加密不同，量子密碼學(xué)是一個確保信息安全的物理系統(tǒng)。

然而，量子位并不完美。由于只有兩級疊加，量子比特的存儲空間有限，對干擾的容忍度很低。

Feng Lab設(shè)備的四級qudit使量子密碼學(xué)取得了重大進展，將信息交換的最大密鑰速率從每個脈沖1位提高到每個脈沖2位。該設(shè)備提供四個級別的疊加，并打開門以進一步增加尺寸。

最大的挑戰(zhàn)是標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置的復(fù)雜性和不可擴展性。研究團隊已經(jīng)知道如何生成這些四級系統(tǒng)，但它需要一個實驗室和許多不同的光學(xué)工具來控制與尺寸增加相關(guān)的所有參數(shù)。他們的目標(biāo)是在單個芯片上實現(xiàn)這一點。

網(wǎng)絡(luò)安全的物理學(xué)

量子通信使用處于嚴(yán)格控制的疊加狀態(tài)的光子。位置、動量、極化和自旋等性質(zhì)在量子水平上以倍數(shù)的形式存在，每個倍數(shù)都受概率支配。這些概率描述了量子系統(tǒng)——原子、粒子、波——在測量時采用單個屬性的可能性。

換句話說，量子系統(tǒng)既不在這里也不在那里。他們既在這里又在那里。只有觀察行為——檢測、觀察、測量——才能使量子系統(tǒng)具有固定屬性。就像雕像的亞原子博弈一樣，量子疊加在被觀察到后立即處于單一狀態(tài)，因此如果不檢測或復(fù)制它們，就不可能攔截它們。

高維自旋軌道微激光器建立在團隊與渦旋微激光器的更早期工作之上，渦旋微激光器靈敏地調(diào)整光子的軌道角動量（OAM）。最新設(shè)備通過在光子自旋上添加另一個級別的命令來升級以前激光器的功能。

這種額外的控制水平——能夠操縱和耦合OAM和旋轉(zhuǎn)——是使他們能夠?qū)崿F(xiàn)四級系統(tǒng)的突破。

一次控制所有這些參數(shù)的困難阻礙了集成光子學(xué)中qudit生成的原因，并代表了團隊工作的主要實驗成就。

趙浩琪表示，想想我們光子的量子態(tài)是兩顆行星堆疊在一起的?！耙郧?，我們只有關(guān)于這些行星緯度的信息。有了這個，我們最多可以創(chuàng)建兩個層次的疊加。我們沒有足夠的信息把它們堆成四份。現(xiàn)在，我們也有經(jīng)度。這是我們以耦合方式操縱光子并實現(xiàn)尺寸增加所需的信息。我們正在協(xié)調(diào)每顆行星的旋轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)，并將這兩顆行星保持在戰(zhàn)略關(guān)系中?！?/p>

愛麗絲、鮑勃和夏娃的量子密碼學(xué)

量子密碼學(xué)依賴于疊加作為一種不言而喻的印章。在一種被稱為量子密鑰分布（QKD）的流行加密協(xié)議中，隨機生成的量子狀態(tài)在發(fā)送方和接收方之間來回發(fā)送，以測試通信通道的安全性。

如果發(fā)件人和收件人（總是在密碼學(xué)故事世界中的愛麗絲和鮑勃）發(fā)現(xiàn)他們的消息之間存在一定程度的差異，他們知道有人試圖攔截他們的消息。但是，如果傳輸基本完好無損，愛麗絲和鮑勃理解該通道是安全的，并使用量子傳輸作為加密消息的密鑰。

這如何改善非量子通信安全性？如果我們把光子想象成一個向上旋轉(zhuǎn)的球體，我們可以大致了解光子如何經(jīng)典地編碼二進制數(shù)字1。如果我們想象它向下旋轉(zhuǎn)，我們理解0。

當(dāng)愛麗絲發(fā)送以碎片編碼的經(jīng)典光子時，竊聽者夏娃可以在愛麗絲或鮑勃沒有意識到的情況下竊取、復(fù)制和替換它們。即使夏娃無法解密她偷走的數(shù)據(jù)，她也可能在不久的將來把它扔掉，屆時計算技術(shù)的進步可能會讓她突破。

量子通信增加了一層更強大的安全性。如果我們把光子想象成一個同時向上和向下旋轉(zhuǎn)的球體，同時編碼1和0，我們就會知道量子位如何保持其量子狀態(tài)的維度。

當(dāng)夏娃試圖竊取、復(fù)制和替換量子比特時，她捕獲信息的能力將受到損害，她的篡改將明顯喪失疊加。愛麗絲和鮑勃會知道該頻道不安全，在他們能夠證明夏娃沒有攔截它之前，他們不會使用安全密鑰。只有這樣，他們才會使用量子比特密鑰啟用的算法發(fā)送預(yù)期的加密數(shù)據(jù)。

然而，雖然量子物理學(xué)定律可能會阻止夏娃復(fù)制截獲的量子比特，但她可能能夠擾亂量子通道。愛麗絲和鮑勃需要繼續(xù)生成密鑰并來回發(fā)送，直到她停止干擾。當(dāng)光子在空間中傳播時坍塌疊加的意外擾動也助長了干擾模式。

量子位的信息空間僅限于兩個級別，對這些錯誤的容忍度很低。

為了解決這些問題，量子通信需要額外的維度。如果我們想象一個光子同時旋轉(zhuǎn)（地球繞太陽旋轉(zhuǎn)的方式）和旋轉(zhuǎn)（地球在自己的軸上旋轉(zhuǎn)的方式），我們就會感受到Feng Lab qudits的工作原理。

如果夏娃試圖竊取、復(fù)制和替換qudit，她將無法提取任何信息，她的篡改將很明顯。發(fā)送的消息將對錯誤有更大的容忍性——不僅對夏娃的干擾，而且對消息在空間傳播時引入的意外缺陷也是如此。愛麗絲和鮑勃將能夠高效、安全地交換信息。

人們非常擔(dān)心，數(shù)學(xué)加密，無論多么復(fù)雜，都會變得越來越無效，因為我們在計算技術(shù)方面進展如此之快。量子通信依賴物理障礙而不是數(shù)學(xué)障礙，使其免受這些未來的威脅。我們比以往任何時候都更重要的是繼續(xù)開發(fā)和完善量子通信技術(shù)。

了解更多前沿科技，關(guān)注我就是你最好的選擇！