基于高阶基数 qudit 的多光子多维超纠缠及其在量子计算、量子密钥分发与量子隐形传态中的应用

Google 最近宣布他们使用 53 个量子比特（基-2 二进制或基数-2）实现了量子霸权，对应于维度为 2^53（约 10^16）的计算状态空间。Google 声称在其量子处理器上耗时 200 秒完成的计算，在经典超级计算机上需要 10,000 年才能完成 [1]。然而，鉴于使量子比特退相干的环境噪声，实现 53 个量子比特的叠加与纠缠并非易事。在本文中，我们声称可以使用更少的光子学系统中的 qudit（而非量子比特）潜在地实现类似的计算维度，其中每个 qudit 具有更高基数（大于 2）（即 16 个基数-10 的 qudit）。本文是产业界与 NxGen Partners 之间探索此种方法的协作开发。有一项 Raytheon 技术使用自由空间光（FSO）法布里-珀罗标准具，消除了对自适应光学的需求 [2, 3]。NxGen 技术使用多个轨道角动量（OAM）模式作为量子计算和多维 QKD 的新自由度 [4-7]。我们还声称，宽带安全通信、量子计算与量子隐形传态的融合只有在光子学实现中才可能。因此，光子 qudit 的使用使得量子隐形传态的安全性和容量超越中国墨子号量子卫星所实现的 [8]。国防和商业计算行业都需要此类量子计算系统。引入了一种新度量，包含计算状态空间维度、高保真度操作、高连通性、大型校准门集和电路重写工具链。我们称之为量子容量的这一新度量是衡量和比较通用量子计算机改进系统结构进展的实用方法。