Научный руководитель лаборатории квантовой теории информации МФТИ, сотрудник Физического института им. П.Н. Лебедева, профессор Владимир Манько, сотрудник Российского квантового центра Алексей Федоров и его коллега Евгений Киктенко опубликовали результаты своих исследований. многоуровневые квантовые системы в серии статей в Physical Review A, Physics Letters A, а также Quantum Measurements and Quantum Metrology.
«В наших исследованиях мы продемонстрировали, что корреляции, аналогичные тем, которые используются для квантовых информационных технологий в составных квантовых системах, также возникают в несоставных системах — системах, с которыми, как мы полагаем, может быть легче работать в определенных случаях. В частности, в нашем последнем В статье мы предложили метод использования сцепления между внутренними степенями свободы одной восьмиуровневой системы для реализации протокола квантовой телепортации, который ранее был экспериментально реализован для системы из трех двухуровневых систем », — говорит Владимир Манько.Квантовые компьютеры, которые обещают произвести революцию в компьютерных технологиях, должны быть построены из элементарных обрабатывающих элементов, называемых квантовыми битами — кубитами.
В то время как элементы классических компьютеров (биты) могут находиться только в двух состояниях (логический нуль и логическая единица), кубиты основаны на квантовых объектах, которые могут находиться в когерентной суперпозиции двух состояний, что означает, что они могут кодировать промежуточные состояния между логическими ноль и один. Когда измеряется кубит, результатом является либо ноль, либо единица с определенной вероятностью (определяемой законами квантовой механики).
В квантовом компьютере начальное состояние конкретной задачи записывается в начальном состоянии системы кубитов, затем кубиты вступают в особое взаимодействие (определяемое конкретной проблемой), и, наконец, пользователь читает ответ на задачу. путем измерения конечных состояний квантовых битов.Квантовые компьютеры смогут решать определенные задачи, которые в настоящее время намного недоступны даже для самых мощных классических суперкомпьютеров.
В криптографии, например, время, необходимое обычному компьютеру для взлома алгоритма RSA, основанного на факторизации больших чисел на простые множители, было бы сопоставимо с возрастом Вселенной. С другой стороны, квантовый компьютер может решить проблему за считанные минуты.
Однако на пути квантовой революции стоит существенное препятствие — нестабильность квантовых состояний. Квантовые объекты, которые используются для создания кубитов — ионы, электроны, джозефсоновские переходы и т. Д., Могут поддерживать определенное квантовое состояние только в течение очень короткого времени.
Однако для расчетов требуется, чтобы кубиты не только сохраняли свое состояние, но и взаимодействовали друг с другом. Физики всего мира пытаются продлить жизнь кубитов.
Раньше сверхпроводящие кубиты «выживали» всего несколько наносекунд, но теперь они могут храниться миллисекунды до декогеренции — что ближе ко времени, необходимому для вычислений.Однако в системе с десятками или сотнями кубитов проблема существенно сложнее.Манько, Федоров и Киктенко начали смотреть на проблему с другой стороны — вместо того, чтобы пытаться поддерживать стабильность большой системы кубитов, они пытались увеличить размеры систем, необходимых для вычислений.
Они исследуют возможность использования кудитов, а не кубитов для вычислений. Кудиты — квантовые объекты, у которых количество возможных состояний (уровней) больше двух (их количество обозначается буквой D).
Существуют qutrits с тремя состояниями, ququarts (четыре состояния) и т. Д. Сейчас активно изучаются алгоритмы, в которых использование qudits может оказаться более выгодным, чем использование кубитов.«Кудит с четырьмя или пятью уровнями может функционировать как система из двух« обычных »кубитов, а восьми уровней достаточно, чтобы имитировать трехкубитную систему.
Сначала мы видели в этом математическую эквивалентность, позволяющую получить новую энтропийную величину. Например, мы получили значение взаимной информации (меру корреляции) между виртуальными кубитами, изолированными в пространстве состояний единой четырехуровневой системы », — говорит Федоров.
Он и его коллеги продемонстрировали, что на одном кудите с пятью уровнями, созданном с помощью искусственного атома, можно выполнять полные квантовые вычисления, в частности, реализацию алгоритма Дойча. Этот алгоритм предназначен для проверки значений большого количества двоичных переменных.Это можно назвать алгоритмом поддельных монет: представьте, что у вас есть несколько монет, некоторые из которых являются поддельными — у них одинаковое изображение на лицевой и обратной сторонах. Чтобы найти эти монеты «классическим методом», нужно смотреть в обе стороны.
С помощью алгоритма Deutsch вы «объединяете» лицевую и обратную стороны монеты, и тогда вы можете увидеть фальшивую монету, посмотрев только на одну сторону.Идея использования многоуровневых систем для эмуляции многокубитных процессоров была предложена ранее в работе российских физиков из Казанского физико-технического института. Например, для запуска двухкубитного алгоритма Дойча они предложили использовать ядерный спин 3/2 с четырьмя различными состояниями.
Однако в последние годы экспериментальный прогресс в создании кудитов в сверхпроводящих схемах показал, что они имеют ряд преимуществ.Однако для сверхпроводящих схем требуется пять уровней: последний уровень выполняет вспомогательную роль, позволяя выполнить полный набор всех возможных квантовых операций.«Мы добиваемся значительного прогресса, потому что в определенных физических реализациях легче управлять многоуровневыми кудитами, чем системой соответствующего количества кубитов, а это означает, что мы на шаг ближе к созданию полноценного квантового компьютера.
Многоуровневые элементы предлагают преимущества и в других квантовых технологиях, таких как квантовая криптография », — говорит Федоров.