近日，南京大学物理学院汪喜林教授与王慧田教授团队在量子信息领域取得关键进展，成功实现预言中的高维光子-光子量子门，相关研究成果以“Heralded high-dimensional photon–photon quantum gate”为题发表于国际权威期刊《自然—光子学》。这一突破为高维光学量子信息处理开辟了新路径，标志着量子计算技术向更高效、更强大的方向迈进。
量子计算的核心优势在于通过量子叠加与纠缠实现并行计算，而传统方案多基于二维量子比特（qubit）。随着研究深入，科学家发现，利用高维量子系统（qudit）编码信息可显著提升计算效率——在固定寄存器尺寸下，高维系统能容纳更多可访问态，同时减少实现复杂运算所需的纠缠门数量。以光子为例，作为天然的多能级信息载体，其轨道角动量、频率等自由度均可用于编码高维量子态，在量子通信与网络构建中具有不可替代的优势。然而，受限于光子间直接相互作用微弱，实现两个独立光子间的高维量子门成为长期挑战，相关核心逻辑组件的缺失严重制约了高维量子计算的发展。
研究团队针对这一难题提出创新方案：通过设计任意维度下的双光子qudit受控相位翻转门实现协议，首次在实验中演示了四维qudit-qudit受控相位翻转门。该量子门是量子计算中的基本逻辑单元，其功能类似于经典计算机中的“异或门”，但需在量子叠加态下完成操作。实验中，团队将光子编码于轨道角动量自由度，利用光子的螺旋波前相位作为信息载体，突破了传统线性光学系统中光子无法直接相互作用的限制。为实现高精度操控，研究组自主研发了新型主动式高精度锁相技术，构建了高维轨道角动量分束器。这一装置可精准分离不同轨道角动量态的光子，同时通过动态反馈机制补偿环境干扰，将系统稳定性提升至新高度。
实验数据显示，四维受控相位翻转门的过程保真度达到[0.71±0.01, 0.85±0.01]范围，远超同类研究水平。保真度是衡量量子门操作准确性的关键指标，该结果证明团队实现的量子门已具备实际应用的可靠性。值得注意的是，若用传统双量子比特纠缠门分解该高维门，至少需要13个双量子比特门的组合，而团队通过高维编码直接实现，大幅简化了操作复杂度。这一成果不仅验证了高维量子门的可行性，更展示了其在减少资源消耗、提升计算效率方面的显著优势。
从技术层面看，该研究突破了三大关键瓶颈：一是首次在光子系统中实现高维受控相位翻转门，填补了光学量子信息处理的核心组件空白；二是通过轨道角动量编码与锁相技术结合，解决了高维量子态操控的稳定性难题；三是实验验证了高维量子门在提升计算效率上的潜力，为后续规模化量子计算提供了技术储备。
该成果的应用前景广泛。在量子通信领域，高维量子门可支持更复杂的安全协议，提升信息传输的抗干扰能力；在量子计算方面，其高效逻辑运算能力有望加速化学模拟、优化问题求解等任务的实现；此外，相关技术还可拓展至超冷原子、固态量子系统等其他物理平台，推动跨领域量子技术融合发展。
量子计算已成为全球科技竞争的焦点，而高维量子系统的探索是突破现有技术瓶颈的重要方向。南京大学团队此次突破不仅为高维光学量子信息处理奠定基础，更通过原创性技术方案为量子计算领域注入新活力。随着高维量子门技术的进一步完善，未来或可构建出更强大的量子处理器，为人工智能、密码学、材料科学等领域带来革命性变革。这一成果再次证明，基础研究的突破往往源于对核心问题的持续攻坚，而量子技术的每一步进展，都在拉近人类与“量子时代”的距离。
DOI: 10.1038/s41566-026-01846-x
