一个多机构的团队利用已有的实验和计算资源，在单个光学芯片上创造了一种测量在量子频率梳（一种光子源）中编码的高维量子比特的有效方法。尽管"qudit"这个词可能看起来是个错字，但这种不太知名的qubit（或称量子比特）的相对物具有携带更多数据的能力和更强的抗噪能力，这是提高量子网络、量子密钥分发系统以及最终的量子互联网的性能所需要的两个关键特性。

传统的计算机比特将数据分类为1或0，与之相反，量子比特可以持有1、0或两者的值。这是由于叠加的原因，这种现象使几个量子状态同时存在。 量子比特的"d"指的是可能被编码在一个光子上的各种级别或数值。传统的量子比特只有两个层次，但通过增加更多层次，它们就变成了量子比特。

左起：Hsuan-Hao Lu和Joseph Lukens在ORNL量子实验室工作。资料来源：Genevieve Martin/ORNL，美国能源部。

来自瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）、普渡大学和美国能源部橡树岭国家实验室的研究人员最近完成了一对纠缠的八级量子比特的特征分析，它们形成了一个64维的量子空间，使以前的离散频率模式记录翻了四倍。他们的发现最近发表在《自然通讯》杂志上。

"我们一直都知道有可能利用光子的颜色或光频率来编码10级或20级的量子，甚至更高，但问题是测量这些粒子非常困难，"ORNL的博士后研究助理Hsuan-Hao Lu说。"这就是这篇论文的价值--我们发现了一种高效和新颖的技术，在实验方面相对容易做到。"

当qudits被纠缠时甚至更难测量，这意味着无论它们之间的物理距离如何，它们都共享非经典的相关性。尽管有这些挑战，频率槽对，也就是两个在频率上纠缠在一起的光子形式的量子很适合携带量子信息，因为它们可以按照规定的路径通过光纤而不被其环境明显改变。

"我们将最先进的频率槽对生产与最先进的光源结合起来，然后用我们的技术来描述高维量子纠缠，其精确程度是以前没有显示过的，"Wigner研究员和ORNL的研究科学家Joseph Lukens说。

研究人员开始了他们的实验，将激光照射到一个微环谐振器上--这是一个由EPFL制造的圆形片上设备，旨在产生非经典光。这个强大的光子源占据了1平方毫米的空间--大小与一支削尖的铅笔的笔尖相当--并允许研究小组以量子频率梳的形式产生频率槽对。

通常情况下，qudit实验需要研究人员构建一种称为量子门的量子电路。但在这种情况下，研究小组使用一个电光相位调制器来混合不同频率的光，并使用一个脉冲整形器来修改这些频率的相位。这些技术在普渡大学Andrew Weiner领导的超快光学和光纤通信实验室得到了广泛的研究，Lu在加入ORNL之前曾在那里学习。

这些光学设备在电信行业很常见，研究人员随机进行这些操作，以捕捉许多不同的频率相关性。据Lu说，这个过程就像掷出一对六面骰子，并记录每个数字组合出现的次数--但现在骰子是相互纠缠在一起的。

"这种涉及相位调制器和脉冲整形器的技术，在超快和宽带光子信号处理的经典背景下被大量追求，并被扩展到频率量子化的大道上，"Weiner说。

为了向后推断哪些量子态产生的频率相关性是量子比特应用的理想选择，研究人员在一种叫做贝叶斯推理的统计方法的基础上开发了一个数据分析工具，并在ORNL进行计算机模拟。这项成就建立在该团队以前的工作基础上，重点是进行贝叶斯分析和重建量子状态。

研究人员现在正在对他们的测量方法进行微调，为一系列的实验做准备。通过通过光纤发送信号，他们旨在测试量子通信协议，如远程传输，这是一种传输量子信息的方法，以及纠缠互换，这是纠缠两个先前不相关的粒子的过程。

普渡大学的研究生Karthik Myilswamy计划将微环谐振器带到ORNL，这将使该团队能够在该实验室的量子局域网上测试这些能力。Myilswamy说："现在我们有一种方法可以有效地描述纠缠的频率量子，我们可以进行其他面向应用的实验。"