我院郭光灿院士团队李传锋、陈耕等人首次实现量子数模转换器　 [2026-08-04]

我院郭光灿院士团队在杂化量子信息系统研究中取得重要进展。该团队李传锋、陈耕等人首次实现了量子数模转换器（QADC/QDAC），能够在量子模拟信号和量子离散信号之间进行确定性的转换，并且具有全光、确定性、可逆和高效等四大优势。该成果2026年7月27日在线发表于知名学术期刊《自然·通讯》。

在经典信息处理中，模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC）是连接模拟世界与数字世界的桥梁——麦克风将连续声波转化为手机能处理的二进制数字，音响则将数字信号还原为声音。没有这对转换器，数字电子设备就无法与真实的物理世界交互。本工作正是这一思想的量子版本。研究组将经典ADC/DAC的概念推广到量子领域，构建了连续变量量子态（量子模拟信号）与离散变量量子态（即量子比特，量子离散信号）之间的双向转换通道。正如经典ADC用离散采样点记录连续信号的幅度，量子ADC（QADC）用有限个量子比特对连续波函数进行采样编码；量子DAC（QDAC）则逆向还原。

图1.量子模拟信号和量子离散信号之间的“桥梁”——量子数模转换器

为何量子世界也需要这样一对转换器？量子系统根据编码方式分为两类。离散变量系统以量子比特为单元，擅长纠错和通用操控，但扩展性受限；连续变量系统则利用位置、动量等连续物理量编码，其无限维空间适合大规模量子态制备，但难以实现通用量子计算等。两类系统优势互补，却长期“语言不通”，因此建立一个可靠的转换接口成为构建混合量子处理器的关键。

研究组将光子的横向波前作为连续变量，将光子的偏振和路径编码为量子比特，通过让一个“中介”量子比特依次与连续波前相互作用提取波函数信息，再通过量子交换操作转移给路径量子比特并重置自身。由于整个转换过程是幺正的，反向输入即可将量子比特信息转换为连续波前，实现信息的双向可逆转换。

图2. QADC的转换线路图

该方案的一个重要特征是高效性——转换误差随量子比特数指数级下降，仅用少量量子比特即可达到高保真度，有效解决了连续变量（无限维）与量子比特（有限维）之间的维度不匹配难题。在硬件实现上，整套装置基于被动式衍射光学元件搭建，转换过程完全用线性光学完成，不涉及光电信号转换，无需主动调制或反馈控制，这使得系统具有极高的稳定性和可靠性。

这一转换器的价值在于为离散与连续两大量子体系之间建立了真正的“通用接口”。一方面，通过QADC将连续态压缩到少数量子比特，可用成熟的离散变量量子态层析技术重构原本难以测量的连续态；另一方面，通过QDAC，可将量子比特信息“合成”为指定的连续波前，实现灵活的可编程态制备。更重要的是，它为构建融合两类系统优势的混合量子处理器提供了核心模块。正如经典ADC/DAC统一了模拟与数字世界，量子版本的ADC/DAC有望成为连接连续与离散量子世界的桥梁，为混合量子信息处理开辟新路径。

该论文的第一作者为中国科学技术大学博士生陈磊。研究得到国家自然科学基金、量子科学与技术重大专项的资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-75903-y

（量子网络安徽省重点实验室、物理学院、中国科学院量子信息和量子科技创新研究院、科研部）