非量子芯片使用比特存储、传输和计算数据，而最先进的量子设备使用量子比特。比特可以是1或0，而量子比特是能够同时为1和0的数字信息单位。在量子力学中，这种同时状态被称为“叠加”。叠加状态大于两个能级的量子比特被称为量子电码，它可存在于0、1和2等多个态中。由于只有两个能级的叠加，量子比特的存储空间有限，对干扰的容忍度很低[1]。
美国宾夕法尼亚大学工程学院领导的研究团队研制出一种完全集成的微激光芯片，利用光的自旋-轨道耦合，大幅扩展了自由度（DOF），将信息交换的最大密钥速率从每脉冲1比特提高到每脉冲2比特[2]。该设备提供了四个层次的叠加，并为进一步增加尺寸打开了大门。四能级量子密钥使量子密码学取得了重大进展，其安全性和稳健性超过了现有的量子通信硬件，并使任何一种以前的芯片上激光器的量子信息空间翻了一番。
此次的超维自旋轨道微激光器建立在该团队早期使用涡旋微激光器的基础上，涡旋微激光器可以灵敏地调整光子的轨道角动量。最新的设备通过在光子自旋上增加另一个级别的命令来升级以前的激光器能力。这种额外的控制级别能够操纵并耦合轨道角动量和自旋，使研究团队能够生成四能级系统。同时控制所有这些参数的困难一直是阻碍集成光子学中量子激光产生的原因，也是该团队工作的主要实验成就。
[1] https://www.cas.cn/kj/202211/t20221123_4855546.shtml?from=singlemessage
[2] Zhifeng Zhang, Haoqi Zhao, Shuang Wu, et al. Spin–orbit microlaser
emitting in a four-dimensional Hilbert space [J]. Nature, 2022. https://www.nature.com/articles/s41586-022-05339-z
