Квантовые компьютеры обещают гигантский скачок в части производительности и эффективности, но ничего этого не случится до тех пор, не будет найден способ их практического построения. Российские исследователи заявили о существенном продвижении вперед в этом направлении.
Построение квантового компьютера представляет собой сложную задачу, поскольку кубиты, входящие в его состав, крайне неустойчивы. Кубиты в квантовых компьютерах представляют собой аналог битов, используемых при традиционных вычислениях. Но если традиционные биты могут принимать значения нуля или единицы, то кубиты содержат их суперпозицию, то есть способные принимать значения нуля и единицы одновременно.
Суперпозиция является основой невероятного потенциала квантовых компьютеров, но вместе с тем порождает и дополнительные трудности. В процессе вычислений требуется, чтобы кубиты не только поддерживали свое состояние, но и взаимодействовали друг с другом, однако квантовые объекты, используемые для создания кубитов – ионы или электроны, например – в настоящее время способны поддерживать определенное квантовое состояние только на протяжении короткого времени. В системах с десятками и сотнями кубитов возникающие проблемы становятся еще сложнее.
Поэтому физики из Московского физико-технологического института и Российского квантового центра предлагают другой подход. Вместо того, чтобы поддерживать стабильность крупной системы кубитов, они наращивают мощность устройств, выполняющих вычисления. Для этого решено было обратиться к кудитам, представляющим собой альтернативу кубитам.
Так называемые кудиты – это квантовые объекты, способные принимать более двух состояний. Кутриты, к примеру, имеют три возможных состояния, а кукварты – четыре. Благодаря дополнительным потенциальным состояниям, кудитов для выполнения той же самой работы требуется меньше, чем кубитов.
«Кудит с четырьмя или пятью уровнями замещает собой два 'обычных' кубита, а с восемью уровнями моделирует систему из трех кубитов», – пояснил исследователь Российского квантового центра Алексей Федоров.
Вместе с коллегами Федоров продемонстрировал, что на базе одного кудита с пятью уровнями можно выполнять полноценные квантовые вычисления.
«Нам удалось добиться значительного прогресса, поскольку в определенной физической среде проще управлять многоуровневыми кудитами, чем выстраивать систему из соответствующего числа кубитов, – указал он. – А это означает, что мы еще на один шаг приблизились к созданию полнофункционального квантового компьютера».
Полученные исследователями результаты были опубликованы в журналах Physical Review A, Physics Letters A и Quantum Measurements and Quantum Metrology.