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現(xiàn)更快、更安全的數(shù)據(jù)傳輸，并增加了對錯誤的抵抗力。

這項技術可以極大地增強量子互聯(lián)網(wǎng)的能力，提供遠距離、安全的通信，并導致強大的量子計算機和牢不可破的加密技術的發(fā)展。

科學家們在創(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，量子位可以同時存在于0、1或兩者的狀態(tài)（疊加）。這種特性使它們成為復雜計算的理想選擇，但限制了它們在通信中可以攜帶的數(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)別在于存儲信息的能力。量子比特是量子計算中使用的基本單位，由于量子疊加，它可以同時存在于兩種狀態(tài)，通常表示為0和1，就像經(jīng)典計算中的比特一樣。這使得它可以比經(jīng)典比特更有效地執(zhí)行復雜的計算。

另一方面，qudits是量子位的泛化，可以同時存在于d個狀態(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，可能導致量子系統(tǒng)中更有效的數(shù)據(jù)處理和通信，因為它們可以用更少的量子位執(zhí)行需要多個量子位的操作，從而提高效率并降低量子算法的復雜性。

利用先進Qudits的光屬性

新技術利用光的兩種特性 —— 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，這種操作轉化為更快的數(shù)據(jù)傳輸速率和更強的抗錯誤能力。

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

量子糾纏的機制

這個過程首先是用兩個光子產(chǎn)生一個特殊的糾纏態(tài)。糾纏是一種現(xiàn)象，兩個粒子連接在一起，共享相同的命運，而不管物理分離。在這種情況下，一個光子（信號光子）在芯片上被操縱，利用它的空間模式和偏振來創(chuàng)建一個四維量子。另一個光子（空閑光子）保持不變，充當信號光子的遙控器（文首圖）。

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

Qudits量子技術的未來潛力

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

研究人員目前的重點是提高qudits的準確性，并擴大技術規(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。