Российские физики упростили квантовые вычисления на кудитах

Квантовые компьютеры рассматриваются как более производительная альтернатива традиционным вычислительным машинам, в том числе суперкомпьютерам, благодаря природе их битов. Квантовые биты, или кубиты, способны находиться в когерентной суперпозиции состояний «ноль» и «единица», что, предположительно, позволяет значительно сократить время производимых операций. Так, если взлом криптографического алгоритма RSA на классическом компьютере может занять миллиарды лет, квантовый компьютер дешифровал бы его за несколько минут.

Основным препятствием для создания квантовых компьютеров такой мощности остается нестабильность квантовых состояний. Объекты, которые используются для формирования кубитов — ионы, электроны, переходы Джозефсона и другие, — сохраняют заданное квантовое состояние в течение короткого периода времени — до миллисекунд. При этом расчеты требуют не только пролонгированного действия этих состояний, но и возможности взаимодействия кубитов между собой, обеспечения квантовых регистров. В системах, включающих в себя десятки и сотни кубитов, эти ограничения усугубляются.

В новом исследовании авторы попытались изменить подход и вместо создания крупной системы кубитов увеличили размер систем, необходимых для измерений. Ученые сосредоточились на манипуляциях с кудитами — квантовыми объектами, которые хранят в одном заряде более двух значений. Физики показали, что на одном пятизначном кудите на базе искусственного атома можно выполнить полноценное квантовое вычисление, в частности реализацию алгоритма Дойча — Йожи.

«Кудит с четырьмя или пятью значениями может функционировать как комплекс двух “обычных” кубитов, восьми значений для кудита достаточно, чтобы имитировать систему трех кубитов», — сообщил представитель РКЦ Алексей Федоров.

По словам главного научного сотрудника ФИАН Владимира Манько, в ряде случаев предложенная методика позволит упростить разработку квантовых вычислительных систем. Например, восьмиуровневый кудит на базе искусственного атома оказался способен воспроизвести квантовую телепортацию, ранее реализованную только в трех двухуровневых системах кубитов.

Алгоритм Дойча — Йожи представляет собой один из первых алгоритмов, предназначенных для выполнения на квантовых компьютерах. Проиллюстрировать его можно на примере со стопкой монет, ряд которых являются поддельными. В классическом варианте их подлинность будет поэтапно проверяться с каждой стороны. Алгоритм Дойча — Йожи позволяет «слить» лицевую и реверсивную стороны монет для потоковой верификации.