量子計算迎新突破：中國參與團隊開發四態光子門，實現多維計算

這項工作代表了高維光學量子信息處理的一項重要進展。

研究人員在推動量子計算機走向多維度方面邁出了重要一步。經典計算機僅處理"0"和"1"兩個值，但研究人員正在探索一種能使量子計算機同時利用四種狀態的新技術。

來自維也納技術大學和中國的一個聯合團隊實現了這種新型量子計算。

該團隊揭示，一種新型量子邏輯門的實現，使得在每對各自處于四種不同量子態的光子上執行量子計算成為可能。據稱，這一步是光學量子計算機的一個重要里程碑，開啟了新的可能性。

光子量子計算實驗

"我們以一種根本不同的方式使用光子，"維也納技術大學原子與亞原子物理研究所的尼古拉·弗里斯說。"我們感興趣的不是偏振，而是光子的空間波形，它可以處于無限多種不同狀態，對應不同的軌道角動量。"

該團隊開發了一種適用于兩個此類光子的程序：兩者都可以處于不同波形的任意疊加態。根據一份新聞稿，通過精巧的操控，兩個最初獨立的光子可以被帶入一個聯合狀態——即所謂的"糾纏"態。同樣，這種新的量子門也可用于以受控方式分離兩個糾纏光子，使光子的狀態再次彼此獨立。

研究人員還透露，迄今為止，光子的量子計算實驗通常依賴于光子的偏振這一特性——該特性有兩種不同的可能測量結果。從量子物理學的角度看，光子可以處于這兩種選項的疊加態，就像向東北方向行走時，同時兼具向北和向東的運動分量。

研究團隊還指出，實現兩個獨立光子間量子門的一個主要障礙是線性介質中光子之間缺乏直接相互作用。

研究人員通過提出一個協議來應對這一挑戰，該協議實現了任意維度下兩個光子量子態（qudit）之間的糾纏門——即受控相位翻轉門。

光子量子態（Photonic qudits）

這項發表在《自然·光子學》期刊上的研究，通過實現一個四維的量子態間受控相位翻轉門，對該協議進行了實驗演示。若用傳統的兩量子比特糾纏門來分解這個門，至少需要13個。

"我們的光子量子態編碼在軌道角動量中，我們開發了一種新型主動式高精度鎖相技術，用于構建一個高維的軌道角動量分束器，從而提高了受控相位翻轉門的穩定性，使得過程保真度達到了[0.71 ± 0.01, 0.85 ± 0.01]的范圍，"研究人員在報告中稱。

研究人員表示，這項工作代表了高維光學量子信息處理的一項重要進展，并具備在光學系統之外獲得更廣泛應用的潛力。

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