量子计算机闯入“高维”空间，中奥科学家联手造出四态光子门

探索宇宙奥秘 · 理性思考

2026年2月23日，来自维也纳技术大学和中国南京大学的研究团队，在《自然·光子学》上发表了一项重磅成果：他们成功研制出一种新型量子逻辑门。这种门不再局限于处理传统的量子比特（qubit），而是可以直接操纵处于四种不同状态叠加的光子，即四维量子态（qudit）。

这听起来有点像科幻小说里飞船驶入了更高维度的空间。但别误会，这里的“高维”并非空间概念，而是一个抽象的、数学上的信息空间。它意味着，量子计算机的信息载体，从只能走“0”和“1”这条线的“量子比特”，升级为可以在多条线路上并行狂奔的“高维量子比特”。

要理解这项突破，我们得先弄明白，量子计算机里的信息是怎么存的。

在经典计算机里，一个比特要么是0，要么是1，就像一个简单的开关。量子比特（qubit）的神奇之处在于，它可以同时是0和1的叠加态，这给了它并行计算的潜力。

但光的世界远比这丰富。以前的光子量子计算，大多利用光子的“偏振”特性来做qubit。偏振就像是光的振动方向，要么是水平，要么是垂直，恰好对应0和1这两个状态。

而这次，奥地利和中国的科学家们选择了一条全新的路：他们不再摆弄光子的偏振，而是盯上了光子的“空间波形”，也就是它的轨道角动量。你可以把这想象成一个陀螺，它不仅可以原地转，还可以一边转一边沿着一个更大的圆圈运动。这种“绕大圈”的方式有无穷多种可能。

研究人员巧妙地选取了其中四种不同的轨道角动量状态，用来编码量子信息。这就好比把一个只能显示“开/关”的简单开关，升级成了一个拥有四个档位的旋钮。光子可以同时处在这四种状态的任意叠加之中，信息的携带能力瞬间从二维跃升到了四维空间。

有了高维的“信息载体”（qudit）还不够，最关键的一步是，如何让两个这样的光子发生相互作用，进行计算？这就像有了两个拥有四个档位的超级旋钮，你还需要一个能把它们拧在一起、产生特定关系的“齿轮组”。这个“齿轮组”就是量子逻辑门。

这项研究的核心突破，正是在实验上首次实现了这样一个高维光子-光子量子门——一个四维的受控相位翻转门。

这个门的厉害之处在于，它可以把两个原本独立的光子，以一种可控的方式“纠缠”起来，变成一个整体。反过来，它也能把纠缠的光子分开。这种“纠缠”和“解纠缠”的操作，正是进行任何有意义的量子计算所必需的基石。

以前，要实现类似的效果，可能需要用十几个普通的量子比特门拼凑起来，不仅复杂低效，还容易出错。而现在，一个高维门就能搞定。这就像你要表达一个复杂的指令，以前得用一长串摩斯密码，现在直接说一句完整的话就行了。

更妙的是，这个门还是一个“ heralded”（有预示）的门。研究人员能准确知道操作是否成功，如果失败了就立即重来。这在实际应用中至关重要，确保了计算的可靠性。

这项工作的特别之处，在于它的“混血”身份。理论方案由维也纳技术大学的 Nicolai Friis 和 Marcus Huber 团队设计，而将这个精巧的理论变为现实的，则是中国南京大学王慧田团队。

把理论变成实验，从来不是简单的“照方抓药”。它需要将实验精度和技术的“天花板”再往上顶一顶。

高维光子的操控极其脆弱，对环境扰动极其敏感。为了驯服这些“任性”的光子，王慧田团队研发了全新的“主动式高精度锁相技术” 。这就像给极其不稳定的光路系统装上了一个反应速度极快的减震器和纠偏装置，保证了干涉的稳定性。

同时，他们还构建了关键的光学元件——高维轨道角动量分束器。最终，他们实现的量子门过程保真度达到了0.71到0.85之间。这意味着，这个门在执行预定操作时，能以相当高的概率得到正确的结果，证明了方案的可行性和先进性。

这项成果是中国在基础物理实验领域深厚功底的又一次展现。它并非简单的跟随，而是在国际顶尖的合作中，贡献了最核心、最困难的实验实现部分，将量子计算推向了一个新的维度。

如果把这项研究放到中国量子科技发展的全局中看，它的意义会更加清晰。

最近，中国在量子信息领域的突破呈现“多点开花”的态势。就在几天前，北京大学王剑威、龚旗煌团队在《自然》上发布了“未名量子芯网”，实现了基于光量子芯片的、支持20个用户并行通信的大规模量子密钥分发网络，组网能力达3700公里。这解决了量子通信网络化的一个核心工程难题。

中科大郭光灿院士团队则在《物理评论快报》上报告了基于无腔冷原子系综的长距离原子-光子纠缠分发，为构建实用化的量子中继器、实现真正的全球量子网络铺平了道路。还有上海交通大学团队发布了全球首款量子科学计算平台UnitaryLab，将“薛定谔化”算法应用于求解复杂的科学工程问题。

将这些进展串联起来，一幅中国量子科技的图景便清晰起来：

我们常说“一叶知秋”，这片“叶子”就是中国科学家在高维光子量子门上的突破。它告诉我们，在探索量子世界最前沿的版图上，中国不仅在大规模的工程应用上领先，在基础物理、核心算法和极端精密的实验操控上，同样拥有世界级的力量。未来的量子计算机，或许就将在这些由不同维度、不同路径汇聚而成的交汇点上，爆发出真正的威力。