Не только нули и единицы: физики нашли способ сделать квантовые компьютеры мощнее

Компьютер на кудитах может лучше решать сложные задачи, чем его аналог на кубитах, и может демонстрировать большую вычислительную мощность с меньшим количеством компонентов.

В то время как классические компьютеры представляют данные в виде битов — единиц и нулей, — большинство квантовых компьютеров используют кубиты. Кубиты могут существовать в состоянии суперпозиции, когда они равны единице и нулю одновременно. По сути, это позволяет каждому кубиту выполнять два вычисления одновременно. Чем больше кубитов квантово-механически связаны или запутаны, тем больше  вычислительная мощность компьютера, и она может расти в геометрической прогрессии.

Кодирование данных в 0 или 1 — самый простой способ выполнения вычислений. Однако квантовые компоненты, лежащие в основе кубитов, почти всегда способны на большее. Ограничение этих устройств бинарными данными не позволяет им полностью раскрыть свой потенциал.

Иными словами, квантовый компьютер с количеством кубитов, равным Х, может выполнять в два раза больше вычислений. Однако машина с количеством кудитов, равным N, может выполнять количество вычислений, равное DхN,

где D — это количество состояний на кудит.

Это означает, что вы можете кодировать ту же информацию в меньшем количестве квантовых частиц при использовании кудитов.

Кроме того, кудиты могут быть запутаны разными способами, что невозможно для систем кубитов. Это важное преимущество, поскольку оно позволяет  выполнять вычисления более эффективно.

Тем не менее, наибольшая польза, которую может принести использование кудитов, состоит в сложных квантовых системах, которые, как надеются ученые, квантовые компьютеры помогут анализировать. К их числу относится химия новых конструкций батарей или новых лекарств. Для моделирования таких сложных взаимодействий  идеально подходят такие же сложные квантовые компоненты. И вычисления этих систем с кубитами могут оказаться менее эффективными, чем с кудитами.

В конце 2021 года российские ученые Российского квантового центра и Физического института имени П. Н. Лебедева РАН уже представили прототип квантовой системы на четырех ионах на основе кудитов. Теперь квантовые физики из Инсбрукского университета в Австрии разработали квантовый процессор с восемью кудитами, каждый из которых представляет собой электромагнитно захваченный ион кальция. Каждый ион имеет до семи состояний, полезных для вычислений, а восьмое состояние используется для считывания. Ученые подробно описали свои выводы в журнале Nature Physics.

Создатели нового процессора говорят, что оборудование для квантовых вычислений должно быть усовершенствовано, прежде чем они смогут экспериментально управлять кудитами, так как они обладают более сложной структурой, чем кубиты.

Кроме того, каждое из состояний кудита по-разному реагирует на внешние воздействия, и многие из инструментов, которые обычно используются для манипулирования кубитами, не работают с кудитами. Нужно найти способы контролировать кудиты и взаимодействовать с ними, чтобы эффективно создавать запутанность.

Большинство существующих платформ квантовых вычислений в принципе могут размещать кудиты. Задача состоит в том, чтобы расширить уровень контроля, достигаемый с помощью двух состояний, на большее количество состояний.

Авторы разработки также уверены, что в существующем квантовом оборудовании скрыт большой неиспользованный потенциал. Так, фотонные квантовые компьютеры могут аналогичным образом работать с квантовыми компонентами, имеющими более двух состояний. Дело в том, что фотонные системы очень мало взаимодействуют с окружающей средой, и в этом заключается их  преимущество, поскольку это делает их чрезвычайно устойчивыми к шуму. Но их довольно сложно запутать. 

Кроме того, ожидается, что все квантовые компьютеры будут допускать определенное количество ошибок. Следовательно, ученым потребуется разработать стратегии для исправления или смягчения этих ошибок. Кудиты с их более сложной структурой на самом деле должны быть устойчивее к шуму, чем простые кубиты. Если получится доказать это экспериментальным путем, то это станет важным шагом на пути к отказоустойчивым квантовым компьютерам.

Хотя новая платформа на кудитах открывает новые возможности для квантовых технологий, на данном этапе ученым не хватает программного обеспечения и алгоритмов, которые наилучшим образом используют этот  потенциал.