Российские физики придумали кутриты, кукварты и кудиты

Учёные из МФТИ и Российского квантового центра предложили вместо обычных одноуровневых кубитов использовать для квантовых вычислений многоуровневые системы, своего рода "матрёшки", по свойствам похожие на целые группы кубитов. Результаты соответствующих исследований опубликованы в серии статей в журналах Physical Review A, Physics Letters A, и  Quantum Measurements and Quantum Metrology. О них также сообщается в пресс-релизе МФТИ и Российского квантового центра, который есть в распоряжении редакции.

Основой квантового компьютера, его "элементарной частицей", является кубит. Он, как и бит в обычном компьютере, допускает два собственных состояния (у бита это "ноль" и "единица"). Но, в отличие от него, кубит может быть в суперпозиции: его значения могут быть равны не нулю или единице, а паре комплексных чисел, лежащих между нулём и единицей. Именно эта особенность и позволяет квантовым компьютерам решать задачи, которые компьютерам обычным с трудом удалось бы решить даже за миллиарды лет непрерывной работы.

У кубитов в настоящий момент есть немало чисто технических проблем. Чтобы быть в состоянии суперпозиции, им нужны особые условия (низкая температура и так далее), причём малейшее нарушение этих условий ведёт к сбоям. И даже в самых лучших условиях кубиты очень неустойчивы — учёные бьются буквально за каждую миллисекунду времени их нормальной работы. Понятно, что компьютер, работающий устойчиво лишь миллисекунды, не слишком эффективен на практике. И такая непростая ситуация складывается с всего лишь с одним кубитом. А для настоящей работы квантовому компьютеру надо получить много скоординированных кубитов — десятки и сотни, что принципиально сложнее. Всё это пока радикально ограничивает возможности такого рода систем.

Некоторое время назад группа физиков из Казанского физико-технического института предложила использовать для эмуляции многокубитных процессоров многоуровневые системы, имеющие больше двух возможных состояний. Теперь физики из МФТИ и Российского квантового центра попытались рассчитать, можно ли такие системы использовать не для эмуляции, а как по сути альтернативу обычному пути квантовых вычислений.

Для этого они провели расчёт по использованию кудитов. Этим словом учёные назвали своего рода "матрёшку" — квантовые объекты, у которых число возможных состояний (уровней) больше двух. Теоретически они показали возможность оперирования кутритами (три связанных состояния) и куквартами (четыре). Даже один пятиуровневый кудит, по их словам, может быть использован для проведения простых квантовых вычислений. Создание квантовых компьютеров, способных работать с кудитами, потенциально позволит резко упростить управление ими. Ведь тогда понадобится контролировать не десятки и сотни кубитов, а меньшее число кудитов.

При этом кудит с тремя-четырьмя уровнями уже может работать как система из двух "обычных" кубитов, а восьмиуровневый способен имитировать трёхкубитную систему. Как отмечают учёные, использование именно кудитов сулит существенный выигрыш в сравнении с чисто кубитными системами. Многоуровневые кудиты в определённых физических реализациях контролировать будет легче, чем систему из соответствующего количества кубитов. Таким образом, создавать полномасштабные квантовые компьютеры станет намного проще. С практической точки зрения важно и то, что многоуровневые системы можно использовать и в защищённой от перехвата системе связи (квантовая криптография).