量子通信领域新突破

研究人员开发了一种突破性的量子信息传输方法，使用被称为“qudits”的光粒子，它利用空间模式和极化特性来实现更快、更安全的数据传输，并增加了对错误的抵抗力。

这项技术可以极大地增强量子互联网的能力，提供远距离、安全的通信，并导致强大的量子计算机和牢不可破的加密技术的发展。

科学家们在创造一种利用被称为“qudits”的光粒子传输量子信息的新方法方面取得了重大突破。这些Qudits承诺未来的量子互联网既安全又强大。

传统上，量子信息是在量子位上编码的，量子位可以同时存在于0、1或两者的状态（叠加）。这种特性使它们成为复杂计算的理想选择，但限制了它们在通信中可以携带的数据量。相反，qudits可以在更高的维度上编码信息，一次传输更多的数据。

量子位 vs. Qudits

量子位和qudits都是量子信息的单位，但它们的主要区别在于存储信息的能力。量子比特是量子计算中使用的基本单位，由于量子叠加，它可以同时存在于两种状态，通常表示为0和1，就像经典计算中的比特一样。这使得它可以比经典比特更有效地执行复杂的计算。

另一方面，qudits是量子位的泛化，可以同时存在于d个状态，其中d > 2。这种更高的维度允许量子位比量子位容纳更多的信息，可能导致量子系统中更有效的数据处理和通信，因为它们可以用更少的量子位执行需要多个量子位的操作，从而提高效率并降低量子算法的复杂性。

利用先进Qudits的光属性

新技术利用光的两种特性 —— 空间模式和光的偏振 —— 来产生四维量子。这些qudits是建立在一个特殊的芯片，允许精确的操作。与传统方法相比，这种操作转化为更快的数据传输速率和更强的抗错误能力。

这种方法的关键优势之一是量子能够在长距离中保持其量子特性。这使得它们非常适用于基于卫星的量子通信等应用，在这些应用中，数据需要在不失去完整性的情况下长距离传输。

量子纠缠的机制

这个过程首先是用两个光子产生一个特殊的纠缠态。纠缠是一种现象，两个粒子连接在一起，共享相同的命运，而不管物理分离。在这种情况下，一个光子（信号光子）在芯片上被操纵，利用它的空间模式和偏振来创建一个四维量子。另一个光子（空闲光子）保持不变，充当信号光子的遥控器（文首图）。

通过操纵空闲光子，科学家可以控制信号光子的状态，并在其上编码信息（图2）。

Qudits量子技术的未来潜力

这种新方法有可能彻底改变量子通信领域。它为高速量子互联网铺平了道路，可以安全地长距离传输大量数据。此外，它可以导致不可破解的加密协议的发展，并有助于创建强大的量子计算机，能够解决经典计算机无法解决的问题。

研究人员目前的重点是提高qudits的准确性，并扩大技术规模，以处理更高的维度。他们相信这种方法有可能彻底改变量子通信。