Российские исследователи представили инструкцию по созданию кудитных квантовых процессоров

Команда ученых из Российского квантового центра сформулировала детальные принципы построения кудитных квантовых процессоров — устройств, способных выполнять квантовые алгоритмы быстрее и с меньшими затратами ресурсов по сравнению с традиционными квантовыми компьютерами на основе кубитов. Результаты опубликованы в Reviews of Modern Physics — самом высокорейтинговом научном издании в области физики.

Классические компьютеры оперируют битами — единицами информации, принимающими значение 0 или 1. Квантовые устройства используют принципы суперпозиции и запутанности: квантовый бит (кубит) может находиться в состояниях 0 и 1 одновременно, что позволяет решать задачи, недоступные даже для самых мощных суперкомпьютеров. При этом квантовая физика допускает не только двухуровневые, но и более сложные системы — кудиты, способные находиться сразу в трех и более состояниях: 0, 1, 2, 3 и т. д.

В 2022 году коллектив получил патент на концептуальную архитектуру кудитного процессора, защитив право на комбинацию двух подходов: замену кубитов кудитами и использование их дополнительных уровней вместо вспомогательных элементов. С тех пор рядом научных групп в России, Австрии, США и Китае были продемонстрированы кудитные квантовые процессоры. Новая работа превращает эту идею в инструкцию по использованию кудитов в квантовых процессорах: в ней описано, как реализовывать конкретные алгоритмы, в том числе квантовый алгоритм Гровера, как адаптировать логические схемы под кудитную архитектуру и как подбирать топологию взаимодействий — линейную, звездообразную или произвольную — в зависимости от задач и типа платформы.

Авторы не только обобщили существующие подходы, но и предложили новые методы декомпозиции многокубитных гейтов, разработали схемы встраивания нескольких кубитов в один кудит, а также систематизировали возможные способы оптимизации архитектуры квантового процессора за счет внутренних уровней кудитов.

Одним из ключевых результатов работы стало расширение критериев ДиВинченцо — набора требований, которым должна соответствовать физическая система, чтобы быть пригодной для реализации квантовых вычислений. Исследователи предложили новую формулировку первого критерия — вместо двухуровневых систем теперь управляемые d-уровневые кудиты. Далее команда показала, как остальные критерии — инициализация, когерентность, универсальные гейты и измерения — переносятся в эту многоуровневую парадигму.

«Переход к кудитной архитектуре — это новый принцип обращения с физическим носителем квантовой информации. Мы показали, что кудиты позволяют исполнять уже существующие алгоритмы быстрее, проще и с меньшими издержками, а значит, эта концепция приближает нас к практическому использованию квантовых процессоров значительно раньше, чем мы предполагали. Публикация работы российского коллектива в мировом высокорейтинговом издании стала итогом десятилетия исследований в области многоуровневых квантовых систем, заложила план будущего масштабирования кудитных квантовых процессоров и продемонстрировала конкурентоспособность научных школ нашей страны», — сообщил Алексей Федоров, руководитель научной группы Российского квантового центра, директор Института физики и квантовой инженерии МИСИС.

Источник: vk.com

Комментарии: