尽管光子器件和系统发展迅速，但由于缺乏足够的可重构性来满足严格的要求，片上信息技术大多局限于两级系统。即使在最近出现的矢量激光器和微腔以扩展维度方面做出了广泛的努力，但根据需要主动调整光的多样化、高维叠加态仍然是一个挑战。
科学家从 佩恩 工程团队创造了一种超维自旋轨道微型激光芯片，其安全性和鲁棒性超过了现有芯片 量子通讯 硬件。他们的系统使用“量子”进行通信，使早期片上激光器的量子信息空间增加了一倍。
先进量子器件的使用 量子比特，能够同时为 1 和 0 的数字信息单位。在量子力学中，这种同时状态称为“叠加”。处于大于两个能级的叠加状态的量子位称为量子比特，以表示这些附加维度。
新设备使用四级量子，在以下方面取得了重大进展： 量子密码学。此外，该设备还提供四层叠加，为进一步增加尺寸打开了大门。
材料科学与工程（MSE）博士后张志峰说， “最大的挑战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能级系统，但它需要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。这正是我们所做的。”
超维自旋轨道微型激光器推进了该小组过去的涡旋微型激光器工作，涡旋微型激光器可以灵敏地调节光子的轨道角动量（OAM）。最近的设备在之前的激光器功能中增加了对光子自旋的控制。
这种额外的控制水平——能够操纵和耦合 OAM 和自旋——是使他们能够实现四级系统的突破。
该团队工作的主要实验成果是同时控制了集成光子学中阻碍 Qudit 创建的所有参数。
ESE博士学生赵浩琪说， “将光子的量子态想象为两颗叠在一起的行星。以前，我们只有有关这些行星纬度的信息。这样，我们最多可以创建两个级别 叠加。我们没有足够的信息将它们堆叠成四个。现在，我们也有了经度。这是我们以耦合方式操纵光子并实现维度增加所需的信息。我们协调每个 行星的自转 并旋转并使两颗行星保持战略关系。”
梁峰，材料科学与工程系教授， 说过, “人们非常担心数学加密，无论多么复杂，都会变得越来越不有效，因为我们在计算技术方面进步如此之快。量子通信对物理障碍而非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。”
杂志参考：
- 张Z.，赵H.，吴S.等。在四维希尔伯特空间中发射的自旋轨道微型激光器。 自然 （2022）。 DOI： 10.1038 / s41586-022-05339-Z
