Российские учёные добились значительного прорыва в области квантовых вычислений на ионах. Им наконец удалось реализовать новую методику кодирования информации, используя не традиционные кубиты (двухуровневые системы), а “кукварты” – системы, которые по факту задействуют четыре энергетических уровня одного иона. Данный подход позволяет сократить количество ионов, необходимых для выполнения вычислений, вдвое, что открывает новые возможности для масштабирования платформ квантовых вычислений на основе ионов. Вместо использования четырёх ионов для хранения информации, теперь достаточно будет всего лишь двух. Традиционно в квантовых вычислениях используется понятие кубита – элементарной единицы информации, аналогичной биту в классической вычислительной технике. Кубит может находиться в одном из двух состояний: 0 или 1, или же в суперпозиции этих состояний.
Однако при использовании атомов или ионов для реализации кубитов задействуется лишь малая часть их энергетических уровней. Учёные из России предложили использовать “кукварт”, что позволяет более эффективно использовать ресурсы ионной системы.
Довольно естественным способом кажется использовать все или хотя бы еще несколько энергетических уровней, то есть приготавливать кудиты — системы с больше, чем двумя уровнями. Группа физиков из Российского квантового центра и Физического института имени Лебедева РАН под руководством Николая Колачевского (N. Kolachevskiy) смогла экспериментально реализовать такой подход для 4 энергетических уровней. В результате им удалось масштабировать систему без добавления дополнительных ионов, задействовав для вычислений дополнительные уровни уже существующих частиц.
Ученые использовали атомы иттербия Yb+ для создания куквартов — кудитов с четырмя уровнями. Процедуры загрузки ионов в ловушку, их охлаждение и выстраивание для создания ионного кристалла не отличаются от тех, что требуются для работы с кубитами. Главное отличие в возбуждении ионов состоит втом, что в случае кубитов необходимо осуществлять и регистрировать переходы между двумя уровнями энергии, а в случае кутритов или куквартов в игру вступают еще один или два уровня ().
Схема энергетических уровней иона
Несмотря на очевидность идеи создания кудитов, технически реализовать ее оказывается не так просто из-за того, что приходится задействовать близкорасположенные энергетические уровни. Авторы подбирали резонансное излучение для каждого из переходов: из состояния 0 в состояние 1, 2 или 3. При этом важно, что для реализации однокудитной операции им было необходимо фокусироваться на одном ионе и проводить все манипуляции только над ним. Поэтому при исследовании однокудитных операций и, ученые проверяли насколько хорошо им удавалось не затрагивать соседний ион.
Результат применения одно- или двухкудитной операции можно оценить по тому, как после нее перераспределились электроны по энергетическим уровням. В квантовомеханических терминах — спроецировать полученное состояние на заданный базис. В эксперименте физикам необходимо было направлять охлаждающее излучение на один из ионов и следить за сигналом от него: если ион проецировался в состояние 0, то он начинал активно рассеивать фотоны, что легко регистрировал детектор; во всех остальных случаях флуоресценция иона оказывалась подавленной, как и фотонный сигнал от него. Единократное проведение такого измерения не может с хорошей точностью описать заселенность уровней, поэтому авторы набирали статистику и получали близкие к реальности данные о распределении электронов.Если перед началом детектирования применить однокудитную операцию и поменять местами населенности нулевого состояния и какого-либо еще, то таким же способом можно измерить заселенность этого уровня.
Реализация двухкудитной операции требует более сложной схемы возбуждения — бихроматического излучения на двух частотах, которые подбираются с необходимой отстройкой, пропорциональной частоте Раби. Детектирование состояния, полученного в результате применения двухкудитной операции, во многом похоже на описанную процедуру для однокудитной, но задействует оба иона. Из-за этого необходимо довольно точно разделять три разных исхода измерения: когда оба иона проецируются в состояние 0, когда в 0 проецируется только один из них или оба проецируются в ненулевое состояние. Для этого ученые делают калибровки перед экспериментом — они измеряют какого уровня сигнал на детекторе можно зарегистировать от каждого иона, когда он находится в невозбужденном состоянии.
Просто научиться проводить операции над кудитами не все, что нужно для квантовых вычислений. Все операции необходимо проводить с высокой точностью, то есть быть уверенным в том, что каждое одно- или двухкудитное работает так, как описывает теория. Проверку достоверности применяемых операций можно делать разными способами — сравнивая с теоретическими предсказаниями разных величин. В работе авторы измеряли зависимость населенности каждого из четырех энергетических уровней для разных длительностей импульсов излучения и сравнивали полученные графики с теоретическими. Изначальную задачу, которую ставили себе физики — научиться делать операции с достоверностью не ниже 50 процентов — им удалось решить.
Автор: Оксана Борзенкова
Источник: https://nplus1.ru/
