Профессор Владимир Манько, Научный Наблюдатель Лаборатории MIPT Теории информации о Кванте и член штата в Лебедеве Физический Институт, Алексей Федоров, член штата в российском Квантовом Центре, и его коллега Евгений Киктенко издал результаты их исследований многоуровневых квантовых систем в серии бумаг в Physical Review A, Буквах A Физики, и также Квантовых Измерениях и Квантовой Метрологии.«В наших исследованиях мы продемонстрировали, что корреляции, подобные используемым для квантовых информационных технологий в сложных квантовых системах также, происходят в несложных системах – системы, которые мы предполагаем, может быть легче работать с в определенных случаях. В частности, в нашей последней статье мы предложили метод использования запутанности между внутренними степенями свободы единственной восьмиуровневой системы, чтобы осуществить протокол квантовой телепортации, которая была ранее осуществлена экспериментально для системы трех двухуровневых систем», говорит Владимир Манько.
Квантовые компьютеры, которые обещают вызвать революцию в компьютерной технологии, предназначены, чтобы быть построенными из элементарных элементов обработки, названных квантовыми битами – кубиты. В то время как элементы классических компьютеров (биты) могут только быть в двух государствах (логический нулевой и логический), кубиты основаны на квантовых объектах, которые могут быть в последовательном суперположении двух государств, что означает, что они могут закодировать промежуточные состояния между логическим нолем и один. Когда кубит измерен, результат – или ноль или тот с определенной вероятностью (определенный законами квантовой механики).
В квантовом компьютере начальное условие конкретной проблемы написано в начальном состоянии системы кубита, тогда кубиты вступают в специальное взаимодействие (определенный определенной проблемой), и наконец, пользователь читает ответ на проблему, измеряя конечные состояния квантовых битов.Квантовые компьютеры будут в состоянии решить определенные проблемы, которые в настоящее время являются далеко вне досягаемости даже самых мощных классических суперкомпьютеров.
В криптографии, например, время потребовало для обычного компьютера, чтобы нарушить алгоритм RSA, который основан на главной факторизации больших количеств, было бы сопоставимо с возрастом Вселенной. Квантовый компьютер, с другой стороны, мог решить проблему в течение минут.Однако есть значительное препятствие, стоящее на пути квантовой революции – нестабильность квантовых состояний.
Квантовые объекты, которые используются, чтобы создать кубиты – ионы, электроны, соединения Джозефсона и т.д., могут только поддержать определенное квантовое состояние в течение очень короткого времени. Однако вычисления не только требуют, чтобы кубиты поддержали свое государство, но также и что они взаимодействуют друг с другом.
Физики во всем мире пытаются продлить срок службы кубитов. Кубиты сверхпроводимости раньше «выживали» только в течение нескольких наносекунд, но теперь они могут быть сохранены для миллисекунд прежде decoherence – который ближе ко времени, требуемому для вычислений.
В системе с десятками или сотнями кубитов, однако, проблема существенно более сложна.Манько, Федоров и Киктенко начали смотреть на проблему от наоборот – а не пытаться поддержать стабильность большой системы кубита, они пытались увеличить размеры систем, требуемых для вычислений. Они исследуют возможность использования qudits, а не кубитов для вычислений. Qudits – квантовые объекты, где количество возможных государств (уровни) больше, чем два (их число обозначено буквой D).
Есть qutrits с тремя государствами, ququarts (четыре государства) и т.д. Алгоритмы теперь активно изучаются, в котором использование qudits, могло оказаться, было более выгодным, чем использование кубитов.«qudit с четырьмя или пятью уровнями в состоянии функционировать как систему двух «обычных» кубитов, и восьми уровней достаточно, чтобы подражать системе с тремя кубитами.
Сначала мы рассмотрели это как математическую эквивалентность, разрешающую нам получить новые энтропические корреляции. Например, мы получили ценность взаимной информации (мера корреляции) между виртуальными кубитами, изолированными в пространстве состояний единственной четырехуровневой системы», говорит Федоров.Он и его коллеги продемонстрировали, что на одном qudit с пятью уровнями, созданное использование искусственного атома, возможно выполнить полные квантовые вычисления, в особенности реализацию алгоритма Deutsch.
Этот алгоритм разработан, чтобы проверить ценности большого количества двойных переменных.Это можно назвать поддельным алгоритмом монеты: предположите, что у Вас есть много монет, некоторые из которых являются фальшивкой – у них есть то же самое изображение на лицевой стороне и обратных сторонах. Чтобы найти эти монеты, используя «классический метод», Вы должны посмотреть на обе стороны.
С алгоритмом Deutsch Вы «сливаете» лицевую сторону и обратные стороны монеты, и Вы можете тогда видеть поддельную монету, только смотря на одну сторону.Идея использовать многоуровневые системы, чтобы подражать процессорам мультикубита была предложена ранее в работе российских физиков из Казани Физическо-технический Институт. Чтобы управлять алгоритмом Deutsch с двумя кубитами, например, они предложили использовать ядерное вращение 3/2 с четырьмя различными государствами.
В последние годы, однако, экспериментальный прогресс создания qudits в схемах сверхпроводимости показал, что у них есть много преимуществ.Однако схемы сверхпроводимости требуют пяти уровней: последний уровень выполняет вспомогательную роль, чтобы допускать полный комплект всех возможных квантовых операций.
«Мы делаем значительные успехи, потому что в определенных физических внедрениях легче управлять многоуровневым qudits, чем система соответствующего количества кубитов, и это означает, что мы – один шаг ближе к созданию полноценного квантового компьютера. Многоуровневые элементы предлагают преимущества в других квантовых технологиях также, таких как квантовая криптография», говорит Федоров.