探索宇宙奧秘 · 理性思考

2026年2月23日，來自維也納技術(shù)大學(xué)和中國南京大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)，在《自然·光子學(xué)》上發(fā)表了一項(xiàng)重磅成果：他們成功研制出一種新型量子邏輯門。這種門不再局限于處理傳統(tǒng)的量子比特（qubit），而是可以直接操縱處于四種不同狀態(tài)疊加的光子，即四維量子態(tài)（qudit）。

這聽起來有點(diǎn)像科幻小說里飛船駛?cè)肓烁呔S度的空間。但別誤會(huì)，這里的“高維”并非空間概念，而是一個(gè)抽象的、數(shù)學(xué)上的信息空間。它意味著，量子計(jì)算機(jī)的信息載體，從只能走“0”和“1”這條線的“量子比特”，升級為可以在多條線路上并行狂奔的“高維量子比特”。

要理解這項(xiàng)突破，我們得先弄明白，量子計(jì)算機(jī)里的信息是怎么存的。

在經(jīng)典計(jì)算機(jī)里，一個(gè)比特要么是0，要么是1，就像一個(gè)簡單的開關(guān)。量子比特（qubit）的神奇之處在于，它可以同時(shí)是0和1的疊加態(tài)，這給了它并行計(jì)算的潛力。

但光的世界遠(yuǎn)比這豐富。以前的光子量子計(jì)算，大多利用光子的“偏振”特性來做qubit。偏振就像是光的振動(dòng)方向，要么是水平，要么是垂直，恰好對應(yīng)0和1這兩個(gè)狀態(tài)。

而這次，奧地利和中國的科學(xué)家們選擇了一條全新的路：他們不再擺弄光子的偏振，而是盯上了光子的“空間波形”，也就是它的軌道角動(dòng)量。你可以把這想象成一個(gè)陀螺，它不僅可以原地轉(zhuǎn)，還可以一邊轉(zhuǎn)一邊沿著一個(gè)更大的圓圈運(yùn)動(dòng)。這種“繞大圈”的方式有無窮多種可能。

研究人員巧妙地選取了其中四種不同的軌道角動(dòng)量狀態(tài)，用來編碼量子信息。這就好比把一個(gè)只能顯示“開/關(guān)”的簡單開關(guān)，升級成了一個(gè)擁有四個(gè)檔位的旋鈕。光子可以同時(shí)處在這四種狀態(tài)的任意疊加之中，信息的攜帶能力瞬間從二維躍升到了四維空間。

有了高維的“信息載體”（qudit）還不夠，最關(guān)鍵的一步是，如何讓兩個(gè)這樣的光子發(fā)生相互作用，進(jìn)行計(jì)算？這就像有了兩個(gè)擁有四個(gè)檔位的超級旋鈕，你還需要一個(gè)能把它們擰在一起、產(chǎn)生特定關(guān)系的“齒輪組”。這個(gè)“齒輪組”就是量子邏輯門。

這項(xiàng)研究的核心突破，正是在實(shí)驗(yàn)上首次實(shí)現(xiàn)了這樣一個(gè)高維光子-光子量子門——一個(gè)四維的受控相位翻轉(zhuǎn)門。

這個(gè)門的厲害之處在于，它可以把兩個(gè)原本獨(dú)立的光子，以一種可控的方式“糾纏”起來，變成一個(gè)整體。反過來，它也能把糾纏的光子分開。這種“糾纏”和“解糾纏”的操作，正是進(jìn)行任何有意義的量子計(jì)算所必需的基石。

以前，要實(shí)現(xiàn)類似的效果，可能需要用十幾個(gè)普通的量子比特門拼湊起來，不僅復(fù)雜低效，還容易出錯(cuò)。而現(xiàn)在，一個(gè)高維門就能搞定。這就像你要表達(dá)一個(gè)復(fù)雜的指令，以前得用一長串摩斯密碼，現(xiàn)在直接說一句完整的話就行了。

更妙的是，這個(gè)門還是一個(gè)“ heralded”（有預(yù)示）的門。研究人員能準(zhǔn)確知道操作是否成功，如果失敗了就立即重來。這在實(shí)際應(yīng)用中至關(guān)重要，確保了計(jì)算的可靠性。

這項(xiàng)工作的特別之處，在于它的“混血”身份。理論方案由維也納技術(shù)大學(xué)的 Nicolai Friis 和 Marcus Huber 團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)，而將這個(gè)精巧的理論變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的，則是中國南京大學(xué)王慧田團(tuán)隊(duì)。

把理論變成實(shí)驗(yàn)，從來不是簡單的“照方抓藥”。它需要將實(shí)驗(yàn)精度和技術(shù)的“天花板”再往上頂一頂。

高維光子的操控極其脆弱，對環(huán)境擾動(dòng)極其敏感。為了馴服這些“任性”的光子，王慧田團(tuán)隊(duì)研發(fā)了全新的“主動(dòng)式高精度鎖相技術(shù)” 。這就像給極其不穩(wěn)定的光路系統(tǒng)裝上了一個(gè)反應(yīng)速度極快的減震器和糾偏裝置，保證了干涉的穩(wěn)定性。

同時(shí)，他們還構(gòu)建了關(guān)鍵的光學(xué)元件——高維軌道角動(dòng)量分束器。最終，他們實(shí)現(xiàn)的量子門過程保真度達(dá)到了0.71到0.85之間。這意味著，這個(gè)門在執(zhí)行預(yù)定操作時(shí)，能以相當(dāng)高的概率得到正確的結(jié)果，證明了方案的可行性和先進(jìn)性。

這項(xiàng)成果是中國在基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域深厚功底的又一次展現(xiàn)。它并非簡單的跟隨，而是在國際頂尖的合作中，貢獻(xiàn)了最核心、最困難的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)部分，將量子計(jì)算推向了一個(gè)新的維度。

如果把這項(xiàng)研究放到中國量子科技發(fā)展的全局中看，它的意義會(huì)更加清晰。

最近，中國在量子信息領(lǐng)域的突破呈現(xiàn)“多點(diǎn)開花”的態(tài)勢。就在幾天前，北京大學(xué)王劍威、龔旗煌團(tuán)隊(duì)在《自然》上發(fā)布了“未名量子芯網(wǎng)”，實(shí)現(xiàn)了基于光量子芯片的、支持20個(gè)用戶并行通信的大規(guī)模量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，組網(wǎng)能力達(dá)3700公里。這解決了量子通信網(wǎng)絡(luò)化的一個(gè)核心工程難題。

中科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)則在《物理評論快報(bào)》上報(bào)告了基于無腔冷原子系綜的長距離原子-光子糾纏分發(fā)，為構(gòu)建實(shí)用化的量子中繼器、實(shí)現(xiàn)真正的全球量子網(wǎng)絡(luò)鋪平了道路。還有上海交通大學(xué)團(tuán)隊(duì)發(fā)布了全球首款量子科學(xué)計(jì)算平臺(tái)UnitaryLab，將“薛定諤化”算法應(yīng)用于求解復(fù)雜的科學(xué)工程問題。

將這些進(jìn)展串聯(lián)起來，一幅中國量子科技的圖景便清晰起來：

我們常說“一葉知秋”，這片“葉子”就是中國科學(xué)家在高維光子量子門上的突破。它告訴我們，在探索量子世界最前沿的版圖上，中國不僅在大規(guī)模的工程應(yīng)用上領(lǐng)先，在基礎(chǔ)物理、核心算法和極端精密的實(shí)驗(yàn)操控上，同樣擁有世界級的力量。未來的量子計(jì)算機(jī)，或許就將在這些由不同維度、不同路徑匯聚而成的交匯點(diǎn)上，爆發(fā)出真正的威力。