12月5日消息，近日，宾夕法尼亚大学工程公司的研究人员创造了一种芯片，其安全性和鲁棒性超过了现有量子通信硬件的安全性和鲁棒性。他们的技术以“qudit”进行通信，是以前任何片上激光器的量子信息空间的两倍。

在经典通信中，激光可以发射编码为1或0的脉冲，很容易被试图窃取信息的拦截器复制故而不太安全。在qubit通信中脉冲可以具有1到0之间的任何叠加状态使得量子脉冲无法复制，是一种保持信息安全的物理系统，但量子位的存储空间有限对干扰的容忍度很低。

由于只有两级叠加，当今量子通信技术中使用的量子比特存储空间有限，对干扰的容忍度低。冯实验室的超维微激光（上图）产生量子点，即具有四个同时信息水平的光子。尺寸的增加使得强大的量子通信技术更适合实际应用。来源：赵浩琪

材料科学与工程系（MSE）和电气系统与工程系（ESE）教授梁峰与MSE博士后研究员张志峰和ESE博士生赵浩琦在最近发表在《自然》杂志上的一项研究中首次介绍了该技术。该小组与米兰理工大学、杜克大学跨学科物理和复杂系统研究所和纽约市立大学（CUNY）的科学家合作。

位、量子比特和量子位

虽然非量子芯片使用比特存储、传输和计算数据，但最先进的量子设备使用量子比特。位可以是 1 或 0，而量子比特是能够同时为 1 和 0 的数字信息单位。在量子力学中，这种同时性状态称为“叠加态”。

处于叠加状态大于两个水平的量子比特称为 qudit，以发出这些额外维度的信号。

“在经典通信中，”冯说：“激光可以发射编码为1或0的脉冲。这些脉冲很容易被试图窃取信息的拦截器克隆，因此不是很安全。在与量子比特的量子通信中，脉冲可以具有 1 到 0 之间的任何叠加状态。叠加使得量子脉冲无法被复制。与使用复杂数学阻止黑客的算法加密不同，量子密码学是一种确保信息安全的物理系统。

然而，量子比特并不完美。由于只有两级叠加，量子比特的存储空间有限，对干扰的容忍度低。

Feng Lab器件的四电平量子点使量子密码学取得了重大进展，将信息交换的最大分泌密钥速率从每脉冲1比特提高到每脉冲2比特。该设备提供四个级别的叠加，并为尺寸的进一步增加打开了大门。

“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电平系统，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。

量子通信

在过去数年间，科学家一直在研究将量子通信作为一种高度安全的信息传输形式的可能性。

顾名思义，量子通信技术就是借助量子粒子（比如光的量子特性）来发送信息。量子力学的基本原理则保证了量子信息几乎不可能在不被发现的情况下被拦截。因此这种技术被认为比经典通信更安全，保密程度更高。

量子通信离不开相干，也就是传输光子的频率和波形的一致性。然而，任何外部的相互作用都会破坏这种状态。当量子粒子与路径上的障碍物相互作用时，它们会失去部分甚至全部的独特特性，这类事件被称为退相干。这意味着量子状态相当脆弱，甚至过于脆弱了。这正是量子通信面临的最大问题之一。致力于建立量子通信网络的科学家和工程师一直在努力找到克服这一问题的方法。

量子通信则是量子理论与信息理论的交叉学科，是一种利用量子的纠缠态实现信息传递的通信方式。

量子是近原子尺度的微观粒子系统，如光子、电子、离子等，及粒子中蕴含的各类物理量，不可分割的最小单位。量子纠缠态是指，相互纠缠的两个粒子无论被分离多远，一个粒子状态的变化都会立即使得另一个粒子状态发生相应变化的现象。美国科学家、诺贝尔物理学奖获得者弗兰克·维尔切克曾打比方说，“量子纠缠”就像一对有“心灵感应”的双胞胎兄弟，他们长得不分彼此，也心灵相通，即便天各一方，弟弟有难，哥哥也能即刻得知。

也正是通过这所谓的“心灵感应”，在“量子纠缠”的帮助下，人们无论相隔多远也可以联系彼此。不过值得注意的是，量子通信技术并非仅仅用于“飞鸽传书”，而是实现更安全的信息传递。

目前，产业界公认的量子通信主要包括两种形式，一是量子密钥分发，二是量子隐形传态。量子密钥分发是经典通信的加密版，具体工作原理是，用弱相干光源发射光子，因为在弱相干光源条件下，发送端可以实现单一光子发射，而每个光子上都负载着一个经编码加密后的信息，将这些有着不同量子态的光子通过光纤传输后，接收方再将每个光子上负载的密钥信息进行解码，进而实现信息传递过程中的安全性。

打个比方，光纤网络就好比是一条高速公路，光子就是一辆满载货物的汽车。在经典通信条件下，汽车会组队按照一定路线行进；而在量子密钥分发下，汽车是单独行驶在路面上的，而且还会呈现不同的行进速度和状态，甚至会跑在不同的车道上，混在不同的车流中。前者可以截获完整的信息，而后者即便捕获到某一辆或某几辆车，也会造成货物缺失，哪怕是能够破解，也无法获得完整的信息。

量子隐形传态比量子密钥分发更神奇。其原理是制备一对纠缠粒子对，然后将这对粒子分发到不同地方，在经典通信的辅助下，在不移动量子态物理载体的情况下实现量子态空间转移。

这就好比是，将一个物体置于A点，然后通过扫描仪器将物体的所有物理信息和生物信息全部记录下来，在B点依照这些记录数据制造出物体的“完美”复制品，从而实现“物体”的转移。而且，量子隐形传态技术具备不可分割、不可克隆的特性，可以抵御窃听密钥的分发，确保通过其加密的内容不可破译。

显而易见，与传统的通信技术相比，量子通信容量大，传输距离远，而且最重要的是保密性强，与物联网、大数据、云计算、智慧城市、人工智能等领域的安全需求结合，将具有十分广阔的发展前景。

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的光子。位置、动量、极化和自旋等属性在量子水平上以多重性的形式存在，每个属性都由概率控制。这些概率描述了量子系统（原子、粒子、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。他们既在这里又在那里。只有观察的行为——检测、观察、测量——才能使量子系统具有固定的性质。就像雕像的亚原子游戏一样，量子叠加态一旦被观察到就呈现出单一状态，因此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使用涡旋微激光器的工作之上，涡旋微激光器灵敏地调整光子的轨道角动量（OAM）。最新的设备通过增加对光子自旋的另一级命令来升级先前激光器的功能。

这种额外的控制水平 - 能够操纵和耦合OAM和旋转 - 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阻碍集成光子学中qudit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堆叠在一起的行星，”赵说：“以前，我们只有关于这些行星纬度的信息。这样，我们最多可以创建两个级别的叠加。我们没有足够的信息将它们堆叠成四个。现在，我们也有经度。这是我们以耦合方式操纵光子并实现增维所需的信息。我们正在协调每个行星的旋转和旋转，并使两个行星保持彼此的战略关系。

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密封。在称为量子密钥分发 （QKD） 的流行加密协议中，随机生成的量子态在发送方和接收方之间来回发送，以测试通信通道的安全性。

如果发送方和接收方（在密码学的故事世界中总是爱丽丝和鲍勃）发现他们的消息之间存在一定程度的差异，他们就知道有人试图拦截他们的消息。但是，如果传输基本保持不变，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。

这如何提高非量子通信的安全性？如果我们将光子想象成一个向上旋转的球体，我们可以大致了解光子如何经典地编码二进制数字 1。如果我们想象它向下旋转，我们理解为0。

当爱丽丝发送以比特编码的经典光子时，窃听者夏娃可以在爱丽丝或鲍勃没有意识到的情况下窃取、复制和替换它们。即使 Eve 无法解密她窃取的数据，她也可能在不久的将来将其删除，届时计算技术的进步可能会让她突破。

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

当 Eve 试图窃取、复制和替换量子比特时，她捕获信息的能力将受到损害，她的篡改将在叠加丢失中显现出来。Alice 和 Bob 会知道该频道不安全，并且在他们能够证明 Eve 没有拦截它之前不会使用安全密钥。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，虽然量子物理定律可能会阻止夏娃复制截获的量子比特，但她可能能够扰乱量子通道。Alice 和 Bob 需要继续生成密钥并来回发送密钥，直到她停止干扰。当光子在空间中传播时坍缩叠加的意外干扰也会导致干涉图案。

量子比特的信息空间限制为两个级别，对这些错误的容忍度较低。

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），我们就会感受到冯实验室是如何工作的。

如果夏娃试图窃取、复制和替换 qudit，她将无法提取任何信息，她的篡改将很明显。发送的信息对错误具有更大的容忍度，不仅对夏娃的干扰，而且对信息在空间中传播时引入的意外缺陷。爱丽丝和鲍勃将能够高效安全地交换信息。

冯实验室设备的四级qudits实现了将信息交换的最大密钥率从每脉冲1比特提高到每脉冲2比特，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。其中最大的挑战是标准设置的复杂性和不可扩展性，如今已经知道如何生成这四个级别的系统，但这需要一个实验室和许多不同的光学工具来控制，目标是在单个芯片上实现这一点。

“有很多人担心，”冯说：“数学加密，无论多么复杂，都会变得越来越无效，因为我们在计算技术上发展得如此之快。量子通信对物理而不是数学障碍的依赖使其免受这些未来威胁的影响。我们继续开发和完善量子通信技术比以往任何时候都更加重要。

文章来源： 量子科技资讯，永兴感知，原理，通 信产业报