量子信息可以更有效地传输，这要归功于一种新协议，该协议使用非线性光学来传输高维、空间复杂的光状态。该协议由南非、西班牙和德国的研究人员开发，类似于量子隐形传态，依赖于对光子轨道角动量状态的信息进行编码。
BB84 等量子通信协议的工作原理是允许两方通过不安全的链接交换加密信息。为此，它们必须共享纠缠状态的资源。如果不破坏它们，就无法测量这种状态，因此不共享纠缠的第三方无法解密信息。
但是，要使此设置正常工作，必须首先生成纠缠状态并将其安全地分发给 Alice 和 Bob。为了获得完美的安全性，这种分布应该通过共享单个纠缠粒子来实现。最初的BB84协议提出通过在光子的偏振态中编码纠缠来做到这一点，但这只允许每个粒子传输一位纠缠。因此，研究人员一直在寻求更有效的选择。
一种有希望的可能性是使用不同的光子特性，例如轨道角动量。这是由波前的旋转引起的，如梭形螺旋。每个波前必须在每个波长上旋转整数次，以确保波函数不会在空间中的同一点取多个值，但理论上它是无界的。与偏振不同，它提供了一组无限的量子化、正交态和一个可以构建光子场的无限维基础。
在《自然通讯》上描述的这项新研究中，由威特沃特斯兰德大学的安德鲁·福布斯领导的研究人员 展示了一种协议，该协议原则上可以允许爱丽丝和鲍勃使用单光子和非线性光学在他们之间传输高维空间信息。当 Bob 用激光泵浦非线性晶体时，该协议就开始了，它通过一种称为自发参数下变频的机制产生一对具有相反轨道角动量的纠缠低频光子。每对光子中的一个光子被发送给爱丽丝，而鲍勃保留另一个光子。
与此同时，爱丽丝将她希望传输的空间信息编码到她自己的激光发射的光子的轨道角动量中。她将这些光子引导到第二个非线性晶体中，该晶体也接收来自鲍勃的光子。来自鲍勃的光子不携带任何信息，但当它们进入爱丽丝晶体时，其中一小部分会经历另一个称为和频产生的非线性光学过程。这实际上是反向的自发参量下转换，如果来自 Alice 和 Bob 的光子具有相等且相反的角动量，则允许两个光子偶尔产生更高频率的单个光子。当爱丽丝报告这样一个高频光子到达她的探测器时，鲍勃测量了他的光子的角动量。
值得注意的是，这个过程没有实现量子中继器所需的那种“纠缠交换”。为此，进入第一个晶体的光子需要与从第二个晶体出来的光子纠缠在一起，而爱丽丝发送到她的晶体中的相干态需要直接转移到与鲍勃一起保留的光子的状态上。这需要上变频和下变频过程的效率比目前使用的非线性光学器件要高得多。
取而代之的是，研究人员利用了这样一个事实，即如果光子同时参与下转换和和频微分，那么来自Bob自发参数下转换过程的非透射光子必须具有与Alice用于编码空间信息的光子相同的轨道角动量。因此，通过测量他自己的非透射光子，鲍勃可以破译信息，但缺乏这种光子的人都无法做到这一点。“我们将纠缠作为一种资源，”巴塞罗那光子和光学科学研究所的团队成员Adam Vallés解释道。
研究人员认为，他们在实验室中使用15种不同角动量的光子证明了他们的方案，可以为银行和其他实体提供量子安全认证系统。“假设你有想要发送的机密信息，它可以是指纹、身份证件或其他任何东西，”福布斯说。“你有这个光子被发送给你，使我们的方案发挥作用，你把鲍勃或银行的这个光子与你想发送的信息重叠，你就会在探测器中点击一下。当你这样做，并与银行分享这些信息时，银行就会得到你想要发送的信息。
英国赫瑞瓦特大学的量子光学专家乔纳森·利奇没有参与这项研究，他将其描述为“一个美丽的实验和一项非常重要的工作”。然而，他补充说，该团队的论文，以及中国厦门大学研究人员的类似工作，引发了一些争议，因为研究人员最初声称他们已经传送了高维量子态。“从本质上讲，量子隐形传态和任何形式的隐形传态的精神是，你有一些状态被传送到一个新的位置，在这个过程中，原来的状态被摧毁了，”利奇说。他补充说，这里并不是真的，因为爱丽丝必须使用激光来生成量子态的许多副本，以便进行和频微分并被鲍勃检测到，所以原始状态仍然存在于爱丽丝的末端。
美国俄亥俄州立大学的物理学家丹·高蒂尔则不那么热情，他认为其他研究小组也使用不那么复杂的方法完成了类似的工作。他还看到了协议本身的一个缺点：“在量子术语中，这就是所谓的投射测量，”他说;如果光子恰好处于您要查找的状态，请看到点击。如果不是，你就得不到任何信息。因此，如果他们有一个d维空间，那么他们正在做的事情的真正好处就完全消失了，因为每次他们进行测量时，他们只有1/d的机会选择了正确的模式进行测量。研究人员接受了这种批评，并正在努力纠正它。
