Физики из МФТИ, Российского квантового центра и других учреждений использовали многоуровневые квантовые системы, каждая из которых способна работать как несколько «обычных» квантовых элементов. Этот метод упростит создание квантового компьютера. Квантовые компьютеры смогут решать некоторые задачи, которые сейчас недоступны даже для самых мощных классических суперкомпьютеров. В отличие от обычных компьютеров, вычислительный элемент которых — бит — может находиться только в двух состояниях (нуля и единицы), квантовые компьютеры будут состоять из кубитов, которые создаются квантовыми объектами, а значит, могут кодировать состояния, промежуточные между нулем и единицей.

Однако на пути к постройке квантового компьютера стоит серьезное препятствие — неустойчивость квантовых состояний. Квантовые объекты, которые нужны для создания кубитов, — ионы, электроны, джозефсоновские контакты — сохраняют 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 и смогли увеличить его с наносекунд до миллисекунд.

Ученые решили не сохранять 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 и их промежуточных состояний) больше двух (их число обозначают буквой D). Существуют кутриты с тремя состояниями, кукварты (четыре состояния) и так далее.

Исследователи показали, что на единственном кудите с пятью уровнями уже можно осуществлять полноценные квантовые вычисления, в частности запустить алгоритм Дойча. Этот алгоритм был создан специально для вычислений на квантовых компьютерах и предназначен для проверки значений большого числа двоичных переменных.

«Мы получаем существенный выигрыш, поскольку многоуровневые кудиты в определенных физических реализациях контролировать проще, чем систему из соответствующего количества кубитов, а значит, мы на шаг приближаемся к созданию полноценного квантового компьютера. Многоуровневые элементы обеспечивают преимущества и в других квантовых технологиях, например в квантовой криптографии», — говорит Алексей Федоров, один из соавторов исследования.

Результаты исследований опубликованы в серии статей в журналах Physical Review A, Physics Letters A, а также Quantum Measurements and Quantum Metrology.

Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!