在国家自然科学基金项目（批准号：12234009、12274215、12404382、12574392、12427808、U25A20194）等资助下，南京大学王慧田教授团队成功实现了轨道角动量编码的四维双光子受控相位翻转门，向构建通用高维光量子处理器迈出了关键一步，相关成果以“预报式高维光子-光子量子门（Heralded High-Dimensional Photon-Photon Quantum Gate）”为题，于2月10日在线发表于国际学术期刊《自然·光子学》（Nature Photonics），文章链接https://doi.org/10.1038/s41566-026-01846-x。

　　高维量子编码（qudit）是一种基于量子系统的多个正交维度进行信息编码的技术。相较于量子比特（qubit）的二维编码，高维编码利用了更高维度的希尔伯特空间，能够显著提升信息承载与处理能力，为量子信息处理带来更高的信道容量、更强的抗噪性以及更优的算法执行效率。然而，如何在高维量子信息处理框架下，实现双光子量子门这一基本单元，至今依然是一个亟待突破的重要挑战。

　　研究团队聚焦光子轨道角动量这一内禀的高维自由度，围绕典型的双光子高维量子门—高维受控相位翻转门开展了深入研究。为降低实验复杂度，团队借鉴二维量子门的发展思路，将原本需要处于纠缠态的两个辅助光子优化为无需纠缠的两个独立单光子，显著简化了实验系统架构；在实验实现方面，团队融合前期自主发展的关键技术，通过级联多个双路径干涉仪，成功构建了基于三路径干涉的四维分束器。在此基础上，团队利用两块非线性晶体的自发参量下转换过程制备四光子量子态，最终成功实现了基于轨道角动量编码的四维双光子受控相位翻转门。该高维量子门的等效线路分解至少需要13个二维量子纠缠门才能实现同样的功能，这充分体现了其在信息处理能力上的优势。研究成果对于降低量子计算的线路深度与资源开销，以及实现计算加速具有重要的科学意义。

图 基于轨道角动量的四维双光子受控相位翻转门示意图