研究人員開發(fā)了一種突破性的量子信息傳輸方法，使用被稱為“qudits”的光粒子，它利用空間模式和極化特性來實(shí)現(xiàn)更快、更安全的數(shù)據(jù)傳輸，并增加了對(duì)錯(cuò)誤的抵抗力。

這項(xiàng)技術(shù)可以極大地增強(qiáng)量子互聯(lián)網(wǎng)的能力，提供遠(yuǎn)距離、安全的通信，并導(dǎo)致強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)和牢不可破的加密技術(shù)的發(fā)展。

科學(xué)家們?cè)趧?chuàng)造一種利用被稱為“qudits”的光粒子傳輸量子信息的新方法方面取得了重大突破。這些Qudits承諾未來的量子互聯(lián)網(wǎng)既安全又強(qiáng)大。

傳統(tǒng)上，量子信息是在量子位上編碼的，量子位可以同時(shí)存在于0、1或兩者的狀態(tài)（疊加）。這種特性使它們成為復(fù)雜計(jì)算的理想選擇，但限制了它們?cè)谕ㄐ胖锌梢詳y帶的數(shù)據(jù)量。相反，qudits可以在更高的維度上編碼信息，一次傳輸更多的數(shù)據(jù)。

量子位 vs. Qudits

量子位和qudits都是量子信息的單位，但它們的主要區(qū)別在于存儲(chǔ)信息的能力。量子比特是量子計(jì)算中使用的基本單位，由于量子疊加，它可以同時(shí)存在于兩種狀態(tài)，通常表示為0和1，就像經(jīng)典計(jì)算中的比特一樣。這使得它可以比經(jīng)典比特更有效地執(zhí)行復(fù)雜的計(jì)算。

另一方面，qudits是量子位的泛化，可以同時(shí)存在于d個(gè)狀態(tài)，其中d > 2。這種更高的維度允許量子位比量子位容納更多的信息，可能導(dǎo)致量子系統(tǒng)中更有效的數(shù)據(jù)處理和通信，因?yàn)樗鼈兛梢杂酶俚牧孔游粓?zhí)行需要多個(gè)量子位的操作，從而提高效率并降低量子算法的復(fù)雜性。

利用先進(jìn)Qudits的光屬性

新技術(shù)利用光的兩種特性 —— 空間模式和光的偏振 —— 來產(chǎn)生四維量子。這些qudits是建立在一個(gè)特殊的芯片，允許精確的操作。與傳統(tǒng)方法相比，這種操作轉(zhuǎn)化為更快的數(shù)據(jù)傳輸速率和更強(qiáng)的抗錯(cuò)誤能力。

這種方法的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)之一是量子能夠在長(zhǎng)距離中保持其量子特性。這使得它們非常適用于基于衛(wèi)星的量子通信等應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，數(shù)據(jù)需要在不失去完整性的情況下長(zhǎng)距離傳輸。

量子糾纏的機(jī)制

這個(gè)過程首先是用兩個(gè)光子產(chǎn)生一個(gè)特殊的糾纏態(tài)。糾纏是一種現(xiàn)象，兩個(gè)粒子連接在一起，共享相同的命運(yùn)，而不管物理分離。在這種情況下，一個(gè)光子（信號(hào)光子）在芯片上被操縱，利用它的空間模式和偏振來創(chuàng)建一個(gè)四維量子。另一個(gè)光子（空閑光子）保持不變，充當(dāng)信號(hào)光子的遙控器（文首圖）。

通過操縱空閑光子，科學(xué)家可以控制信號(hào)光子的狀態(tài)，并在其上編碼信息（圖2）。

Qudits量子技術(shù)的未來潛力

這種新方法有可能徹底改變量子通信領(lǐng)域。它為高速量子互聯(lián)網(wǎng)鋪平了道路，可以安全地長(zhǎng)距離傳輸大量數(shù)據(jù)。此外，它可以導(dǎo)致不可破解的加密協(xié)議的發(fā)展，并有助于創(chuàng)建強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)，能夠解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法解決的問題。

研究人員目前的重點(diǎn)是提高qudits的準(zhǔn)確性，并擴(kuò)大技術(shù)規(guī)模，以處理更高的維度。他們相信這種方法有可能徹底改變量子通信。