研究人員最近在量子計算機的多維性方面取得了重大進展。傳統計算機只能處理「0」和「1」這兩個值，而研究者們正在探索一種新技術，能夠讓量子計算機同時使用四種狀態。來自維也納科技大學（TU Wien）與中國的聯合團隊實現了這種新型量子計算。該團隊透露，新的量子邏輯閘的實現使得能夠在成對的光子上進行量子計算，這些光子各自處於四種不同的量子狀態之中。這一步驟被認為是光學量子計算機的一個重要里程碑，為未來的發展開闢了新的機會。
研究人員表示，與傳統方法不同的是，這個團隊使用光子的方式有根本性的改變。維也納科技大學原子與亞原子物理研究所的 Nicolai Friis 提到，他們不再關注光子的偏振，而是聚焦於光子的空間波形，這可以存在無限多種不同狀態，對應於不同的軌道角動量。團隊開發了一種程序，能夠處理兩個這樣的光子：這兩個光子可以處於不同波形的任意疊加狀態。通過精密的操作，兩個最初獨立的光子可以被帶入一個共同的狀態，也就是所謂的「糾纏」狀態。
根據新聞稿，新的量子閘還可以用來以受控的方式分離兩個糾纏的光子，使它們的狀態再次獨立。研究人員還透露，迄今為止，基於光子的量子計算實驗通常依賴於光子的偏振，這是一種具有兩種不同測量結果的特性。在量子物理的角度來看，光子可以處於這兩種選擇的疊加狀態，就如同在朝東北方向行走時，同時朝北和朝東移動。
研究團隊指出，實現兩個光子之間的量子閘的一個主要障礙是光子在線性介質中直接交互的限制。為了解決這一挑戰，研究人員提出了一種協議，用於實現一種糾纏閘，即受控相位翻轉閘，適用於任意維度的光子 qudit。該研究發表在《Nature Photonics》期刊上，實驗展示了這一協議的可行性，並實現了一個四維的 qudit–qudit 受控相位翻轉閘，其分解至少需要 13 個二量子位的糾纏閘。
研究人員表示：「我們的光子 qudits 是以軌道角動量進行編碼的，並且我們開發了一種新的高精度主動相位鎖定技術，來構建一個高維度的軌道角動量分束器，這提高了受控相位翻轉閘的穩定性，使得過程的保真度在 [0.71 ± 0.01, 0.85 ± 0.01] 的範圍內。」這項研究代表了高維光學量子信息處理的一個重要進展，並有潛力在光學系統之外的更廣泛應用中發揮作用。
