Специалисты Национального исследовательского технологического университета «МИСИС» в кооперации с коллегами из Российского квантового центра (РКЦ) провели обзор и структурирование актуальных методов воплощения квантовых алгоритмов с привлечением многомерных систем — кудитов. Данная область пока не пользуется широким вниманием у зарубежных научных групп. Между тем, применение кудитов может сделать архитектуру квантовых вычислителей проще и открыть путь к выполнению более замысловатых алгоритмов, что представляет огромную ценность.
Источник изображения: НИТУ МИСИС
«Нами продемонстрировано, как можно упростить выполнение комплексных операций, являющихся фундаментом для большинства квантовых алгоритмов. Традиционно их реализация требует множества этапов и вспомогательных компонентов, что увеличивает вероятность сбоев. Задействование дополнительных уровней, уже присутствующих в кудитах, даёт возможность уменьшить число необходимых шагов для проведения таких операций», — пояснил директор Института физики и квантовой инженерии НИТУ МИСИС, кандидат наук Алексей Фёдоров.
Фундамент квантовых вычислений составляют кубиты — квантовые биты, способные пребывать в суперпозиции состояний «0» и «1» одновременно. Подобные системы обладают значительно более высоким потенциалом в обработке данных по сравнению с классическими битами, однако современные квантовые процессоры ограничены в количестве кубитов и склонны к ошибкам, что снижает результативность алгоритмов. Для преодоления этих барьеров российские учёные обратились к кудитам — многоуровневым квантовым объектам, имеющим три, четыре или более состояний, что в теории позволяет кодировать и обрабатывать больший объём информации в рамках одного физического носителя.
Основным достижением коллектива МИСИС и РКЦ стала разработка схем, которые предполагают задействование добавочных уровней кудитов только на этапах выполнения конкретных операций, с последующим возвратом системы к стандартной работе с кубитами. Такой метод позволяет сократить количество шагов для реализации сложных квантовых алгоритмов и снижает риск ошибок, поскольку меньшее число операций означает уменьшенную вероятность возникновения декогеренции и иных технологических помех. Исследователи акцентируют, что предложенные схемы являются универсальными и не зависят от конкретной технологической основы, будь то сверхпроводящие цепи, ионные ловушки или фотонные платформы.
Предложенный исследователями метод интеграции кудитов в стандартные квантовые алгоритмические цепочки даст возможность специалистам, не знакомым с многоуровневыми системами, начать применять кудиты без необходимости кардинально пересматривать уже освоенные алгоритмы. При этом использование кудитов способно уменьшить количество операций в традиционных алгоритмах или позволит выполнять их на платформах с меньшим числом физических компонентов, чем это требуется для реализации тех же алгоритмов в обычном формате.
«Мы целенаправленно концентрируемся на квантовых алгоритмах, выраженных через последовательности кубитов, поскольку именно в таком виде в настоящее время формулируется абсолютное большинство квантовых алгоритмов. Это даёт возможность напрямую соотнести теоретические концепции с реальными аппаратными платформами и продемонстрировать, как кудиты могут быть задействованы без полного пересмотра существующих алгоритмических подходов», — пояснила к.ф.-м.н. Анастасия Николаева, старший научный сотрудник группы квантовых информационных технологий РКЦ и НИТУ МИСИС.
