量子光技术或将改变安全通信与计算

研究人员阐述了如何通过同时控制光的多种特性（包括偏振、空间模式和频率）来创建高维量子态。在这一框架下，传统的量子比特（二维，光子处于两种量子态的叠加）被量子比特（qudits，维度超过两个）所取代。这种转变极大地扩展了量子系统的能力，并为许多科学和技术领域开辟了新途径。

在量子通信中，这些高维光子通过在每个光粒子中打包更多信息来提高安全性。它们还允许许多通信信道同时运行，同时提高了对错误和背景噪声的容忍度。对于量子计算，结构化光可以简化电路设计、加快处理速度，并能创建高级模拟所需的复杂量子态。

量子结构化光也在推动成像和测量领域的进步。研究人员指出了分辨率技术的提升——例如最近开发的全息量子显微镜，它可以获取脆弱生物样本的图像——以及依赖量子相关性的超高灵敏度传感器。除了这些应用，结构化光还可用于模拟复杂的量子系统，帮助科学家模拟分子在网络中的相互作用，并可能指导新材料的发现。

约翰内斯堡金山大学的通讯作者安德鲁·福布斯教授表示，该领域在过去20年发生了巨大变化。“为特定目的设计量子光的量子态定制工作近年来加快了步伐，终于开始展现其全部潜力。20年前，这方面的工具几乎为零。如今，我们有了紧凑高效的片上量子结构化光源，能够创建和控制量子态。”

尽管发展势头良好，挑战依然存在。“虽然我们取得了惊人的进步，但仍有一些具有挑战性的问题，”福布斯说，“结构化光（无论是经典的还是量子的）的传输距离仍然很短，但这也是一个机会，激励人们寻找更多可利用的抽象自由度。”

巴塞罗那自治大学物理系光学小组的研究员亚当·瓦莱斯表示，该领域已进入关键时期。“我们正处于一个转折点：量子结构化光不再只是科学好奇心的对象，而是一种真正有潜力改变通信、计算和图像处理的工具。”瓦莱斯强调，巴塞罗那自治大学通过与福布斯的合作，为这一进展做出了重要贡献，列举了“具有重大国际影响的成果，例如高维编码量子信息的受激 teleportation、生成高纯度复杂态的激光腔设计，以及在密码学领域，面对阻碍通信信道的障碍物时实现稳健量子密钥的分发”。

这篇综述文章作为封面文章发表在2025年11月的《自然·光子学》上，反映了瓦莱斯与南非约翰内斯堡金山大学物理系福布斯领导的结构化光研究小组之间的长期合作。这项工作还得到了加泰罗尼亚量子学院（CQA）的支持，该学院是由光子科学研究所（ICFO）协调、加泰罗尼亚政府推动的合作倡议，旨在加强该地区量子科学和技术领域的教育与人才培养。