Несколько элементов квантового компьютера утрамбовали в один

Многоуровневый кудит — кукварт

Физики из МФТИ и Российского квантового центра разработали метод, который позволит упростить задачу создания универсального квантового компьютера — они нашли способ использовать для этого многоуровневые квантовые системы (кудиты), каждый из которых способен работать как несколько «обычных» квантовых элементов, кубитов.

«В наших работах мы показали, что корреляции, аналогичные используемым для квантовых информационных технологий в композитных квантовых системах, имеют место и в некомпозитных системах, с которыми, как мы предполагаем, иногда оказывается легче работать. В частности, в последней работе мы предложили способ использования запутанности между внутренними степенями свободы одиночной восьмиуровневой системы для реализации протокола квантовой телепортации, ранее экспериментального реализованного для системы из трёх двухуровневых систем», — говорит Владимир Манько, научный руководитель Лаборатории квантовой информации МФТИ и сотрудник ФИАН.

Как известно, на пути квантовой революции стоит серьезное препятствие — неустойчивость квантовых состояний. Квантовые объекты, которые используются для создания кубитов — ионы, электроны, джозефсоновские контакты, могут сохранять определенное квантовое состояние очень недолго. Но для вычислений нужно, чтобы кубиты не только сохранили состояние, но и еще и провзаимодействовали друг с другом. Физики по всему миру пытаются продлить срок жизни кубитов. Раньше сверхпроводящие кубиты «выживали» наносекунды, а теперь их удается удержать от декогеренции уже миллисекунды — уже близко к тому времени, которое необходимо для вычислений.

Но в случае с системой из десятков и сотен кубитов задача становится принципиально сложнее.

Ученые МФТИ начали решать задачу «с другого конца» — не пытаться сохранить устойчивость большой системы кубитов, а уменьшить размеры необходимой для вычислений системы. Они исследуют возможности использования для вычислений не кубитов, а кудитов — квантовых объектов, в которых число возможных состояний (уровней) больше двух (их число обозначают буквой D). Существуют кутриты с тремя состояниями, кукварты (четыре состояния) и т.д. Сейчас активно изучаются алгоритмы, в которых использование кудитов может демонстрировать преимущества по сравнению с использованием кубитов.

Кудит с тремя-четырьмя уровнями уже может работать как система из двух «обычных» кубитов, а восьми уровней достаточно, чтобы имитировать трехкубитную систему.

Показано, что на единственном кудите с пятью уровнями, реализованном с помощью искусственного атома, уже можно осуществлять полноценные квантовые вычисления, в частности, запустить алгоритм Дойча. Этот алгоритм предназначен для проверки значений большого числа двоичных переменных.

Использование разработанной методики позволяет получить существенный выигрыш, поскольку многоуровневые кудиты в определенных физических реализациях контролировать проще, чем систему из соответствующего количества кубитов. Многоуровневые элементы обеспечивают преимущества и в других квантовых технологиях, например, в квантовой криптографии.