Если представить квантовый бит (кубит) как лестницу с двумя ступеньками (0 и 1), то его продвинутый собрат — кудит — это лестница с тремя, четырьмя или даже семью ступенями. Именно на управлении такими «многоступенчатыми» системами сфокусировались ученые НИТУ МИСИС и Российского квантового центра (РКЦ).
В своей новой работе они показали, как использование этих дополнительных уровней — по аналогии с нотами, которые можно разместить не на двух линейках, а на целом нотном стане — позволяет упростить работу квантовых алгоритмов и сократить число вычислительных операций.
Кудиты — многоуровневые квантовые системы — позволяют сделать реализацию квантовых алгоритмов более эффективной
Основой квантовых компьютеров являются кубиты. В отличие от классических битов, кубиты могут находиться не только в состояниях 0 или 1, но и в их суперпозиции — одновременно. Однако существующие процессоры содержат ограниченное число кубитов и пока еще демонстрируют ощутимые ошибки вычислений. С этим можно бороться.
Кроме кубитов существуют и более сложные системы, являющиеся по сути многоуровневыми кубитами. Они существуют в большинстве физических систем, от сверхпроводников до ионов. И ученые предлагают использовать их внутреннюю сложность во благо науки. Однако предлагаемые разными группами методы ранее не были систематизированы. Исследователи НИТУ МИСИС и РКЦ решили эту проблему.
В своей новой статье в журнале Reviews of Modern Physics авторы систематизировали методы, которые позволяют «включать» дополнительные уровни кудитов только на время выполнения определенных шагов квантового алгоритма и показали конкретные примеры как реализовать квантовые алгоритмы на кудитах.
Как пояснил для Наука Mail Алексей Федоров, использование кудитов позволяет повысить общую точностью реализации квантовых алгоритмов. Это обеспечивается за счет того, что часть операций проходит между кубитами, которые «закодированы в один кудит». Кроме того, использование дополнительных уровней как «буферов» для хранения промежуточной информации упрощает реализацию сложных квантовых операций.
Поясним, что включение дополнительных «ступеней» кудита позволяет выполнить внутри одного физического носителя операцию, для которой обычно требуется взаимодействие двух независимых кубитов. Это сокращает общее число шагов и, следовательно, точек, где может произойти ошибка.
Научные работы в области кудитов сегодня активно ведутся в Австрии, США и Китае. В России «есть ряд оригинальных научных идей, часть из которых уже реализуется на практике, так что по этому направлению у нас есть заделы на мировом уровне», добавляет Алексей Федоров.
Это исследование — часть активной работы российских ученых в области квантовых технологий. Ранее в 2025 году группа исследователей из ФИАН и РКЦ реализовала самый большой в мире квантовый алгоритм на кудитах, а в конце 2025 года был представлен российский ионный квантовый компьютер, использующий семиуровневые кудиты (кусепты) и эквивалентный по мощности 72 кубитам.
