Открыт новый тип квантовых компьютеров

Nature Physics: реализован квантовый процессор на кудитах из ионов кальция.

Ученые Университета Инсбрука в Австрии продемонстрировали новый тип универсального квантового компьютера, в котором используются многоуровневые квантовые системы, называемые кудитами. В отличие от двухуровневых кубитов, которые несут информацию о двух базисных состояниях «0» и «1», кудиты описываются суперпозицией большего числа состояний, что позволяет реализовать сложные квантовые алгоритмы. Статья ученых опубликована в журнале Nature Physics.

Новый квантовый процессор состоит из ионов изотопа кальция-40, захваченных ловушкой Пауля, в которой частицы удерживаются с помощью магнитного поля силой 4,4 гаусса. Квантовая информация кодируется в основном электронном состоянии и в возбужденном состоянии ионов. В присутствии магнитного поля основное электронное состояние из-за эффекта Зеемана разделялось на два подуровня, а возбужденное — на шесть подуровней. Таким образом каждый ион кальция-40 поддерживал кудит с восемью уровнями.

Каждый переход между основным и возбужденным состоянием иона представляет собой однокудитную вычислительную операцию. Сами переходы электронов между уровнями реализовывались с помощью узкополосных лазерных лучей с длиной волны 729 нанометров, а значение кудита считывалось при наблюдении за флуоресценцией ионов.

По словам ученых, кудитный квантовый процессор может эффективно применяться в квантовом моделировании решеточных калибровочных теорий, квантовой химии и теории высших спинов. Для этих областей нужны вычисления в многомерных гильбертовых пространствах, реализация которых на кубитных квантовых компьютерах требует больших усилий.

Для работы с крупными цепочками кудитов необходимо магнитное поле с большей силой — порядка 10 гаусс. Такие поля легко создаются с помощью постоянных магнитов, и ожидается, что они не вызовут каких-либо дополнительных осложнений.