Ученые Российского квантового центра (РКЦ) сделали еще один важный шаг к практически полезным квантовым компьютерам. Они представили подробное руководство по созданию процессоров нового типа – на основе кудитов. Статья исследователей из России опубликована в престижном журнале Reviews of Modern Physics.
Чем же кудиты лучше ставших привычными кубитов? Представьте себе обычный компьютер: каждый его бит как тумблер, который может быть либо во включенном состоянии (бит принимает значение 1), либо в выключенном (0). Квантовый бит (или кубит) – это уже не тумблер, а скорее диммер: он может быть «включенным» и «выключенным» одновременно (состояние суперпозиции). А еще кубит может быть «запутан» с другими кубитами, что дает большие возможности для «параллельных» вычислений. Все эти свойства кубитов дарят огромные вычислительные мощности для специфических задач.
А что же представляет собой кудит? Это уже не просто диммер с плавной регулировкой свечения, а многопозиционный переключатель как светофор из диммеров. Вместо двух состояний (0 или 1) кудит может находиться сразу в трех, четырех или даже больше состояниях (0, 1, 2, 3...), и все это одновременно. Это как если бы один кудит мог хранить и обрабатывать информацию сразу нескольких кубитов, но в более компактной и потенциально более устойчивой форме.
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.
В 2022 году команда российских исследователей запатентовала саму идею такой архитектуры: использовать кудиты вместо кубитов и задействовать их дополнительные уровни для вычислений, а не просто как вспомогательные элементы. Для этого было необходимо использовать особые квантовые алгоритмы, так как логика подобных вычислений гораздо сложнее классической.
С тех пор физики-экспериментаторы из России, Австрии, США и Китая начали создавать первые работающие кудитные процессоры. Новая работа ученых превращает эту концепцию в конкретную «инструкцию по сборке». В статье описывается, как реализовывать хорошо изученные квантовые алгоритмы (алгоритм поиска Гровера) на кудитах, как перестраивать логические схемы алгоритмов под архитектуру с кудитами, как выбрать оптимальный «способ соединения» кудитов между собой в зависимости от решаемой задачи и типа физической платформы.
Ученые не просто собрали известные методы. Они разработали новые способы разбивать сложные операции на более простые шаги специально для кудитов, а также предложили схемы, как эффективно «встраивать» информацию нескольких кубитов в один многоуровневый кудит. Также российские исследователи провели большую работу по систематизации всех возможных путей оптимизации архитектуры процессора, используя внутренние уровни кудитов (те самые, что могут «принимать различные значения» в состоянии суперпозиции).
Один из ключевых теоретических результатов, который описывается в статье – обновление критериев ДиВинченцо. Они определяют способность какой-либо физической системы стать основой для квантового компьютера. Эти требования были сформулированы физиком-теоретиком Давидом ДиВинченцо между 1996 и 2000 годами и необходимы для того, чтобы ученые понимали при соблюдении какого минимального набора условий они смогут сделать из изучаемых ими объектов квантовый вычислитель.
Критерии ДиВинченцо представляют собой своего рода чек-лист. Первый критерий теперь гласит: система должна иметь управляемые многоуровневые элементы (то есть кудиты), а не просто двухуровневые кубиты. Команда российских ученых также показала, как в этом случае меняются другие требования в чек-листе: инициализация квантового состояния, поддержка квантовой когерентности (чтобы вычисления не «рушились»), выполнение универсального набора логических операций (гейтов) и считывание результата (измерение состояния кудита).
Как пояснил руководитель проекта Алексей Федоров, статья объединяет десятилетия исследований в области многоуровневых квантовых систем и в дальнейшем эта «инструкция по сборке» позволит масштабировать кудитные квантовые процессоры, а значит, и улучшить возможности квантовых вычислений. По его словам, публикация в журнале такого уровня указывает на конкурентоспособность научных школ России на мировой арене.
Мы также попросили Алексея Федорова прокомментировать значение этого исследования для разработок, которые ведутся в России:
«Работа с многоуровневыми квантовыми системами - кудитами - открывает новые возможности для масштабирования квантовых вычислений. Важно отметить, что результаты наших исследований нашли отражение в работе квантового процессора, разработанного Российским квантовым центром и ФИАН им. П.Н. Лебедева в рамках Дорожной карты по квантовым вычислениям при поддержке Росатома».
Это тоже интересно:
Российские физики доказали преимущество трехуровневых кубитов
Российские физики впервые совместили квантовый компьютер и машинное обучение