Ученые из Российского квантового центра, НИТУ МИСИС, Математического института им. В.А. Стеклова РАН и МФТИ описали теорию создания многоуровневого квантового процессора на полярных молекулах.
В классических вычислениях минимальной единицей информации является бит, принимающий значение 0 или 1. Квантовые компьютеры работают с кубитами (квантовыми битами), способными находиться в двух состояниях одновременно. Однако квантовую систему можно развивать не только за счет увеличения числа кубитов, но и наращивая их уровни.
Многоуровневые квантовые системы — кудиты — обладают тремя, четырьмя, пятью и более состояниями, что позволяет плотнее кодировать информацию и в некоторых случаях упрощает выполнение квантовых алгоритмов.
Сегодня многоуровневые квантовые компьютеры создают на разных физических платформах, например сверхпроводниках, ионах и атомах. В новой работе исследователи рассмотрели менее привычную для вычислений платформу — ультрахолодные полярные молекулы. Их особенность — наличие собственного электрического дипольного момента. Другими словами, распределение заряда в таких молекулах несимметрично: одна часть имеет небольшой избыток положительного заряда, а другая — отрицательного. Благодаря этому соседние молекулы могут взаимодействовать друг с другом, что позволяет выполнять над ними квантовые операции.
В качестве рабочих состояний ученые предложили использовать вращательные уровни молекул — состояния с разным запасом энергии вращения. Такой подход позволяет каждой молекуле выступать либо кубитом, либо кудитом, и обеспечивать от двух до пяти состояний. Конкретное кодирование может выбираться под конкретную вычислительную задачу.
В результате исследователи впервые показали, как выполнить запутывающую операцию на новой платформе с использованием кудитной логики вместо кубитной. Для этого молекулы предлагается удерживать и перемещать с помощью оптических пинцетов — сфокусированных лазерных лучей. Когда две молекулы находятся далеко друг от друга, их взаимодействие слабо. Однако если их медленно сблизить, оно усилится, что позволит выполнить квантовую операцию. После этого молекулы снова разводятся.
Такая управляемая операция делает платформу пригодной как для хранения состояний, так и для выполнения полноценных квантовых алгоритмов.
«Используя многоуровневость ультрахолодных полярных молекул, мы показали не только, как выполнять запутывающие двухчастичные операции, но и как естественно и эффективно реализовывать более сложные многокубитные операции — ключевую составляющую многих квантовых алгоритмов. Это позволяет раскрыть потенциал ультрахолодных полярных молекул как кудитной вычислительной платформы», – отметила Анастасия Николаева, к.ф.-м.н., эксперт научного проекта НИТУ МИСИС.
Для проверки подхода ученые провели численное моделирование для двух конкретных молекул — фторида стронция (SrF) и молекулы NaCs. Расчеты показали возможность реализации универсального набора квантовых операций для систем с двумя, тремя, четырьмя и пятью состояниями. Время выполнения квантовых операций оказалось на три порядка меньше времени когерентности — периода, в течение которого молекулы сохраняют нужное квантовое состояние. Это означает, что у предложенной схемы есть теоретический запас, необходимый для будущей экспериментальной проверки.
«Главный результат нашей работы состоит в том, что мы продемонстрировали потенциальную применимость полярных молекул не только в качестве отдельных носителей квантовой информации, но и как основу для масштабируемого кудитного процессора. Мы построили модель, в которой одна молекула может работать как система с несколькими логическими состояниями, и показали, как выполнить запутывающую операцию между двумя такими молекулами. Этот шаг переводит идею с уровня управления одной частицей к архитектуре, на которой в перспективе можно выполнять квантовые алгоритмы», — отметил Солех Муминов, ключевой автор исследования, сотрудник научной группы «Теория многих тел» Российского квантового центра.