Российские ученые разработали новый метод формирования связи между многоуровневыми квантовыми битами, позволяющий обеспечить устойчивый обмен информацией между ними. Технология может лечь в основу производства коммерческих квантовых компьютеров. Исследование было опубликовано в журнале Physical Review B.
Квантовый компьютер — это устройство, хранящее и обрабатывающее информацию внутри группы квантовых систем, каждая из которых, как правило, является двухуровневой и называется «квантовый бит» или «кубит» (англ. «qubit» — quantum bit). Однако, кроме кубитов, существуют также более сложные единицы квантовой памяти, так называемые кутриты и кукварты, состоящие из трех и четырех уровней соответственно. В теории использование таких единиц хранения и обработки информации позволит создавать более эффективные и компактные квантовые процессоры, но создание устойчивой связи между ними представляет ряд сложностей. В 2021 году российские ученые продемонстрировали ионный квантовый процессор на основе куквартов.
Группа физиков под руководством Алексея Федорова, научного сотрудника НИТУ «МИСиС» и руководителя научной группы РКЦ, разработала новый метод, позволяющий формировать связи (так называемую квантовую запутанность) между произвольными трехуровневыми кубитами. Работа поддержана программой Лидирующего исследовательского центра по квантовым вычислениям.
Предложенный российскими учеными подход основан на методе, который ранее их коллеги из США применили для создания так называемых кристаллов времени — структуры из 20 кубитов, состояниями которых они управляли с помощью микроволнового излучения. Кубиты при этом расположены относительно друг друга таким образом, что их спины постоянно взаимодействуют, а внешнее воздействие обеспечивает продолжительность этого взаимодействия. Важное преимущество такой системы перед аналогами заключается в том, что силу взаимодействия кубитов с внешним полем и друг с другом можно легко настраивать.
Российские ученые показали в своей работе продемонстрировали, что аналогичные цепочки взаимодействий между квантовыми объектами и особо устроенными импульсами электромагнитного излучения можно использовать для формирования связей между парами произвольных кутритов, которые удалены друг от друга на большое расстояние.
При этом эффективность предложенного метода создания квантовой запутанности между кутритами, по словам ученых, можно будет проверить при помощи существующих аналоговых компьютеров.
«Мы разработали протокол, позволяющий связывать отдельные кутриты в одномерных цепочках из подобных объектов. Мы ожидаем, что его работу можно будет проверить при помощи уже существующих аналоговых квантовых компьютеров, построенных на базе, например, нейтральных атомов или ионов. Такой подход формирования квантовой запутанности интересен с точки зрения создания необычных квантовых фаз материи, а также как необходимый элемент для квантовых вычислений», — поясняет Алексей Федоров.
Как полагают авторы работы, подтверждение эффективности созданного ими протокола позволит использовать подобные структуры для создания коммерческих квантовых компьютеров на базе многоуровневых кубитов.
