这项工作代表了高维光学量子信息处理的一项重要进展。

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研究人员在推动量子计算机走向多维度方面迈出了重要一步。经典计算机仅处理"0"和"1"两个值，但研究人员正在探索一种能使量子计算机同时利用四种状态的新技术。

来自维也纳技术大学和中国的一个联合团队实现了这种新型量子计算。

该团队揭示，一种新型量子逻辑门的实现，使得在每对各自处于四种不同量子态的光子上执行量子计算成为可能。据称，这一步是光学量子计算机的一个重要里程碑，开启了新的可能性。

光子量子计算实验

"我们以一种根本不同的方式使用光子，"维也纳技术大学原子与亚原子物理研究所的尼古拉·弗里斯说。"我们感兴趣的不是偏振，而是光子的空间波形，它可以处于无限多种不同状态，对应不同的轨道角动量。"

该团队开发了一种适用于两个此类光子的程序：两者都可以处于不同波形的任意叠加态。根据一份新闻稿，通过精巧的操控，两个最初独立的光子可以被带入一个联合状态——即所谓的"纠缠"态。同样，这种新的量子门也可用于以受控方式分离两个纠缠光子，使光子的状态再次彼此独立。

研究人员还透露，迄今为止，光子的量子计算实验通常依赖于光子的偏振这一特性——该特性有两种不同的可能测量结果。从量子物理学的角度看，光子可以处于这两种选项的叠加态，就像向东北方向行走时，同时兼具向北和向东的运动分量。

研究团队还指出，实现两个独立光子间量子门的一个主要障碍是线性介质中光子之间缺乏直接相互作用。

研究人员通过提出一个协议来应对这一挑战，该协议实现了任意维度下两个光子量子态（qudit）之间的纠缠门——即受控相位翻转门。

光子量子态（Photonic qudits）

这项发表在《自然·光子学》期刊上的研究，通过实现一个四维的量子态间受控相位翻转门，对该协议进行了实验演示。若用传统的两量子比特纠缠门来分解这个门，至少需要13个。

"我们的光子量子态编码在轨道角动量中，我们开发了一种新型主动式高精度锁相技术，用于构建一个高维的轨道角动量分束器，从而提高了受控相位翻转门的稳定性，使得过程保真度达到了[0.71 ± 0.01, 0.85 ± 0.01]的范围，"研究人员在报告中称。

研究人员表示，这项工作代表了高维光学量子信息处理的一项重要进展，并具备在光学系统之外获得更广泛应用的潜力。

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