集成路径编码 4GHZ 发生器。图片来源：npj Quantum Information （2024）。DOI： 10.1038/s41534-024-00830-z

与依赖于数学算法的经典加密不同，量子加密基于物理原理确保安全性。通过不可避免地改变所涉及的量子态，可以保证对间谍活动或干扰的检测。

两个系统之间的比较产生了令人印象深刻的结果。经典的超级计算机目前需要数千年的时间才能破解强大的加密技术，但使用足够强大的量子计算机，可以在几秒钟内破译相同的代码。

“这凸显了开发和实施不受这种能力影响的量子安全协议的迫切需要，”巴西圣保罗州圣卡洛斯联邦大学（UFSCar）物理系研究员保罗·恩里克·迪亚斯·费雷拉说。

在意大利米兰理工大学进行博士后实习期间，Ferreira与Roberto Osellame教授领导的团队合作，为光子芯片上纠缠四光子GHZ（Greenberg-Horne-Zeilinger）态的创建和表征做出了重大贡献。该研究发表在npj Quantum Information杂志上。

“这项研究将量子点技术与玻璃光子电路相结合，代表了设备增强和集成的一个里程碑，并为安全和高效的量子通信开辟了新的可能性，”Ferreira说。

在量子信息理论领域，GHZ状态是一种纠缠态，至少涉及三个子系统（粒子态、量子比特或量子比特）。丹尼尔·格林伯格（Daniel Greenberger），迈克尔·霍恩（Michael Horne）和安东·塞林格（Anton Zeilinger）在1980年代后期首次对其进行了研究。在这项研究中，通过飞秒激光加工将电路写入玻璃芯片上，从而创建三维 （3D） 波导，允许精确的光子操纵。

“我们选择使用玻璃矩阵进行生产，因为它很容易制作原型。此外，与传统的光刻或电子束写入不同，单级制造可产生 3D 波导。通过热移位器获得的电路可重构性允许对光子的光学相位进行微调，这对于所需的重叠至关重要，“Ferreira说。

他用一个类比来解释该设备如何执行其加密功能。“想象一下，你有四枚硬币。在正常状态下，每枚硬币在随机抛掷时都可以独立地处于正面或反面位置，但在纠缠GHZ状态下，所有四个光子都以一种特殊的方式连接在一起：当被观察时，所有的硬币都是正面或反面的，并且永远不会发生混合组合。

“这种状态可以用数学描述为量子重叠，其中每个光子都与其他三个光子纠缠在一起，没有经典的类似物。这种联系是如此强大，以至于当你验证一个光子时，你立即知道其他三个光子的状态，无论它们之间的距离如何。在硬币的类比中，一旦你发现一枚硬币是正面[而不是反面]，所有其他硬币都必须是正面，“他说。

这种现象可用于实现量子秘密共享系统，在该系统中，监管机构与多个参与者安全地共享密钥。任何未经授权的访问尝试都会改变量子相关性，从而允许立即检测。

“例如，如果入侵者试图测量其中一个粒子的状态以获取有关密钥的信息，则测量将不可避免地使该粒子的量子状态坍缩并改变所有相关粒子之间的原始量子相关性。当协议中的合法参与者比较他们的部分数据时，他们可以检测到由这种干扰引起的差异，“他解释说。

根据费雷拉的说法，在商业交易中使用GHZ状态不仅可以加强通信安全，还可以提供一个强大的机制来检测入侵者，这对于在日益数字化和互联互通的世界中保护敏感数据至关重要。

“使用GHZ状态和其他纠缠协议的量子系统提供了一种解决方案，即使是最先进的量子计算机也无法破解，因为任何干涉量子通道的尝试都会改变所涉及的粒子的状态，从而可以立即检测到任何入侵者，”他说。

本文证明了在光子芯片中生成高保真纠缠GHZ态的可行性，为量子器件的大规模生产铺平了道路。

“随着不断的进步，我们可以期待这些系统被集成到通信和计算基础设施中，从而引领一个安全和效率的新时代，”他说。

更多信息：Mathias Pont 等人，芯片上的高保真四光子 GHZ 状态，npj 量子信息 （2024）。DOI： 10.1038/s41534-024-00830-z

期刊信息： npj Quantum Information