美國賓夕法尼亞大學(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、傳輸和計算數(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為1和0的數(shù)字信息單位。在量子力學(xué)中，這種同時狀態(tài)被稱為“疊加”。疊加狀態(tài)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(tài)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(qiáng)大的量子通信技術(shù)更適合現(xiàn)實世界的應(yīng)用。

此次，新實驗室設(shè)備的四能級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)工具來控制與維度增加相關(guān)的所有參數(shù)?，F(xiàn)在，他們在單一芯片上實現(xiàn)了這一點。

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(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)整光子的軌道角動量。最新的設(shè)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(tuán)隊能夠生成四能級系統(tǒng)。

同時控制所有這些參數(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)隊工作的主要實驗成就。

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現(xiàn)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