量子計算有望改變我們的信息處理方法，其核心是可靠的量子邏輯門在量子信息處理中發揮著至關重要的作用。雖然已經演示了各種類型的量子門，但光子量子門天然兼容量子通信，并引起了量子信息領域的極大興趣。光子空間模式中正交基的內在無限性提供了廣泛的編碼字母表，鼓勵高維量子信息處理的創造力。然而，以準確、可擴展、緊湊的方式和超高保真度實現高維酉變換仍然是一個重大挑戰。

在《光科學與應用》上發表的一篇新論文中，由武漢光電國家實驗室和華中科技大學光電子信息學院、中國光谷實驗室的王健教授領導的科學家團隊，和同事展示了使用深度衍射神經網絡(D 2 NN)構建一系列高維量子門，這些門由光子的空間模式編碼。他們實現了由三種拉蓋爾高斯模式編碼的所有三維X門和 Hadamard 門。通過量子過程斷層掃描表征，門具有高達 99.4(3)% 的超高保真度。他們還采用獨特的編碼方法，利用單個光子的四種軌道角動量(OAM)模式來編碼兩位信息。通過這種方法，他們實現了OAM的波前旋轉方向(模式的符號)根據模式階數的互換。該受控非門的重構過程矩陣的保真度為 99.6(2)%，并且該高保真門能夠實現可靠的量子計算。

他們還通過成功實施 Deutsch 算法證明了這種方法的適用性，該算法涉及根據他們的實驗配置執行整個 2 量子位量子電路。該演示驗證了執行復雜操作甚至量子電路的潛力。

前面提到的所有門的實驗演示都顯示出占地面積小、可擴展性強以及對不同模式基礎的魯棒性等優點。此外，基于可重構相位調制裝置，這種實現有利于智能部署，在執行自動協議以實現所需操作或優化實驗性能方面顯示出非凡的才能。

為了給實驗提供指導，他們分析了量子門性能與各種參數之間的關系，包括空間光調制器的損耗和特性。此外，他們對 D 2 NN 門的性能與傳統波前匹配方法進行了比較分析，得出的結論是，我們的方法以較小的能量損失為代價顯著提高了可見度。