Фото: Unsplash
Российские ученые продемонстрировали возможность масштабирования квантовых компьютеров без наращивания количества квантовых носителей информации. Для этого они использовали дополнительные уровни квантовых систем — кутриты, которые могут находиться в трех состояниях одновременно. Результаты работы позволят значительно ускорить внедрение квантовых вычислений в индустриальную среду. Статья опубликована в журнале Physical Review A.
Главное преимущество квантовых вычислений — скорость, позволяющая на порядки быстрее решать определенные классы задач. Если классический бит находится в состоянии 0 или 1, то квантовый бит (кубит) способен принимать оба состояния сразу. Это свойство, наряду с квантовой запутанностью, позволяет квантовым вычислительным устройствам по мере увеличения числа кубитов наращивать мощность экспоненциально.
Основным препятствием на пути к эффективному применению технологии остается недостаточное количество кубитов, связанное со сложностью контроля множества независимых частиц. Так, для решения оптимизационных задач необходимы тысячи кубитов, для анализа структуры кофактора нитрогеназы — 4 млн кубитов, а для взлома криптографического алгоритма RSA — около 20 млн кубитов.
Теперь ученые из Российского квантового центра предложили оптимальную схему для реализации одной из ключевых операций, используемой практически во всех квантовых алгоритмах, — гейта Тоффоли. Однако вместо кубитов они применили разновидность многоуровневых квантовых систем (кудитов) — кутриты. В отличие от кубитов кутриты могут находиться в 3 состояниях одновременно, что позволяет повысить производительность вычислений и качество квантовых операций. Схема была продемонстрирована на сверхпроводниковом квантовом компьютере.
«Реализация кубитов с помощью реальных физических систем предполагает определенную идеализацию — количество уровней в атомах, ионах, сверхпроводниковых цепочках и других системах обычно больше двух. Идея кудитных квантовых процессоров состоит в том, чтобы использовать дополнительные уровни физических систем для увеличения качества реализации квантовых операций и „более плотного“ кодирования квантовой информации. Для демонстрации схемы был выбрал сверхпроводниковый квантовый компьютер. В России в рамках проекта Лидирующего исследовательского центра идет работа по созданию кудитного квантового компьютера на ионах», — рассказал руководитель исследования Алексей Федоров.