量子计算机实现高维！

以下内容来自维也纳工业大学

近日，维也纳工业大学（TU Wien）与中国研究团队的合作成果，为新一代量子计算机构建奠定关键核心基础。新型量子逻辑门的成功实现，使得研究人员能够对分别处于四种量子态（或其叠加态）的光子对执行量子计算操作。这是光量子计算机领域的重要里程碑，为该领域发展开辟了全新机遇。相关研究成果已发表于国际权威学术期刊《Nature Photonics》。

量子计算机的核心原理简明清晰：经典计算机仅以二进制0和1为运算单元，而量子物理规律允许量子态实现0与1的任意叠加。从物理本质而言，量子比特可同时处于0和1的叠加态，这一特性使其能够构建出在部分问题上运算效率远超经典计算机的量子算法。

但量子叠加态原则上可包含多于两种的本征态。根据所选取的物理自由度不同，光子等量子系统并非仅有两种测量结果，而是可呈现多种量子态。这类量子系统被定义为量子高维比特，而非传统量子比特。

量子高维比特在量子计算中具备显著优势，但其应用的核心前提，是实现两个量子高维比特的可控相互作用机制。维也纳工业大学研究团队从理论层面设计出基于双光子编码的双量子高维比特协同处理方案，中国研究团队则在实验室中成功实现该方案，研制出新型量子逻辑门，该成果有望带来颠覆性应用。

此前，基于光子的量子计算实验大多依托光子偏振特性开展，而光子偏振仅存在两种测量结果。从量子物理角度，光子可处于这两种偏振态的叠加态，类似于向东北方向运动时，可同时兼具向北与向东的运动分量。

维也纳工业大学原子与亚原子物理研究所的尼古拉・弗里斯（Nicolai Friis）解释道：“我们采用了全新的物理维度操控光子，不再关注其偏振特性，而是利用光子的空间波函数——该物理量对应光子的轨道角动量，可承载无穷多种量子态。”

弗里斯领衔的团队研发出适用于双光子体系的处理方案：两个光子均可处于不同空间波函数的任意叠加态。通过精密量子操控，两个初始独立的光子可被制备为联合量子态，即量子纠缠态；而新型量子逻辑门同样可实现可控解纠缠操作，将纠缠光子对恢复为相互独立的量子态。

图：马库斯・胡贝尔（左）和尼古拉·弗里斯

来源：维也纳工业大学

这类纠缠量子门操作，正是构建量子计算机、实现多输入量子计算的核心单元。在首轮验证实验中，研究团队选取四种量子态开展研究。弗里斯表示：“这相当于在传统南北、东西坐标轴之外，新增两条运算维度轴，从物理层面实现了四维空间的量子运算，且可处理该空间内的任意量子态叠加。”

该理论方案的实验落地，不仅需要全新的实验协议，更要求在实验技术与测量精度上实现大幅突破，中国Hui-Tian Wang团队在该领域取得了突破性进展。

尼古拉·弗里斯指出：“我们成功实现了基于双光子的量子逻辑门，该逻辑门可处理处于四种量子态叠加态的光子。我们不仅能实现光子的可控纠缠，更实现了宣告式纠缠—— 即可直接判定协议是否成功执行，若实验失败可重复迭代，这正是实用化量子计算所需的核心特性。”

研究团队期望该新型方案能全面提升量子信息技术的运算效率与系统稳定性。维也纳工业大学原子与亚原子物理研究所的马库斯・胡贝尔（Marcus Huber）表示：“采用该方案，仅需更少的量子粒子即可承载等量的量子信息，这在提升量子操作可靠性等诸多方面具备显著优势。”

这项最新研究，切实为量子技术领域打开了全新的发展维度。

https://www.tuwien.at/en/phy/ati/news/quantencomputer-werden-viel-dimensional