科学家破解高容量 安全量子通信的新方法

科学家们在利用光粒子(称为量子比特)传输量子信息的新方法方面取得了重大突破。这些量子比特有望打造一个既安全又强大的未来量子互联网。这项研究发表在《eLight》杂志上。

传统上，量子信息被编码在量子比特上，量子比特可以同时处于 0、1 或 1 的状态(叠加)。这种特性使它们非常适合进行复杂的计算，但限制了它们在通信中可以携带的数据量。相反，量子比特可以在更高的维度上编码信息，从而一次性传输更多数据。

新技术利用光的两种特性——空间模式和偏振——来创建四维量子比特。这些量子比特建立在一种特殊的芯片上，可以进行精确操控。与传统方法相比，这种操控意味着更快的数据传输速率和更强的抗错误能力。

这种方法的一个关键优势是量子比特能够在长距离内保持其量子特性。这使得它们非常适合卫星量子通信等应用，在这些应用中，数据需要传输很长的距离而不会丢失其完整性。

该过程首先使用两个光子产生特殊的纠缠态。纠缠是一种两个粒子相互连接、无论物理距离如何都拥有相同命运的现象。

在这种情况下，一个光子(信号光子)在芯片上被操纵，利用其空间模式和偏振创建一个 4D 量子比特。另一个光子(闲置光子)保持不变，充当信号光子的遥控器。通过操纵闲置光子，科学家可以控制信号光子的状态并将信息编码到其中。

这种新方法有可能彻底改变量子通信领域。它为能够安全远距离传输大量数据的高速量子互联网铺平了道路。

此外，它还可以促进牢不可破的加密协议的发展，并有助于创建能够解决传统计算机无法解决的问题的强大量子计算机。

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