在量子协议中使用结构化光进行更快，更安全的通信

在过去的100年中，量子力学已经走了很长一段路，但是还有很长的路要走。在AVS Quantum Science中，来自南非威特沃特斯兰德大学的研究人员回顾了在量子协议中使用结构化光来创建更大的编码字母，更强的安全性和更好的抗噪性所取得的进展。该图像显示了通过将极化与带有轨道角动量的“扭曲”图案相结合而产生的纠缠光子混合光。

结构化光是描述光的图案或图片的一种奇特的方式，但值得一提，因为它可以保证未来的通信将更快，更安全。

在过去的100年中，量子力学已经走了很长一段路，但是还有很长的路要走。南非威特沃特斯兰德大学的研究人员在AIP Publishing的AVS Quantum Science中回顾了在量子协议中使用结构化光以创建更大的编码字母，更强的安全性和更好的抗噪性的进展。

作者安德鲁·福布斯（Andrew Forbes）说：“我们真正想要的是对光进行量子力学。”“通过这种方式，我们的意思是光会以各种可以独特的方式出现-就像我们的脸一样。”

由于光的图案可以彼此区分，因此它们可以用作字母的形式。他说：“很酷的事情是，至少在原则上至少有无限的模式集，因此可以使用无限的字母。”

传统上，量子协议是用光的偏振来实现的，光的偏振只有两个值-一个两级系统，每个光子的最大信息容量仅为1位。但是通过使用光的图案作为字母，信息容量要高得多。而且，它的安全性更强，并且提高了对噪声（如背景光波动）的鲁棒性。

福布斯说：“光的模式是通往我们所谓的高维状态的途径。”“它们是高维的，因为量子过程涉及许多模式。不幸的是，用于管理这些模式的工具包仍未开发，需要大量工作。”

量子科学界最近在科学和衍生技术方面取得了许多值得注意的进步。例如，现已证明纠缠交换是利用光的空间模式（量子转发器中的核心成分）进行的，而现在可以通过高维量子密钥分发协议来实现节点之间安全通信的方式。它们共同使我们更接近快速，安全的量子网络。

同样，已经实现了用于量子计算机的奇异多方高维态的构造，以及在重影成像（通过组合来自两个光检测器的光产生）中增强的分辨率。然而，要完全控制纠缠在高维上的多个光子，仍然难以突破二维的无处不在的两个光子。

福布斯说：“我们知道如何创建和检测纠缠在图案中的光子。”“但是我们实际上并不能很好地控制它们从一个点到另一个点，因为它们在大气和光纤中会变形。而且我们真的不知道如何有效地从中提取信息。目前，它需要进行过多的测量。”

福布斯和他的合著者艾萨克·纳佩（Isaac Nape）帮助开拓了混合动力州的使用方法，这是另一个巨大的进步。旧的教科书量子力学是用极化完成的。

福布斯说：“事实证明，通过将模式与极化相结合，可以同时利用两全其美，可以使用更简单的工具有效地实现许多协议。”混合状态而不是模式的二维，而是允许访问多维状态，例如，无限的二维系统集。这看起来是一种有前途的方法，可以真正实现基于光模式的量子网络。

参考：“具有光模式的量子力学：高维和多维纠缠与结构化光的进展”，Andrew Forbesa和Isaac Nape，2019年10月29日，AVS量子科学。DOI：
10.1116/1.5112027