Группа исследователей из Российского квантового центра, МИСИС, Математического института имени Стеклова и МФТИ опубликовала теоретическую работу, посвященную созданию квантовых вычислителей нового типа. Статья вышла в журнале Physical Review Research.
В отличие от классических битов, работающих в системе «0 или 1», и стандартных кубитов, которые могут одновременно находиться в двух состояниях, ученые предложили использовать так называемые кудиты. Это многоуровневые системы, способные хранить три, четыре или пять состояний. Такой подход позволяет более плотно упаковывать информацию и упрощать реализацию некоторых алгоритмов.
В качестве физической основы для кудитов авторы работы выбрали ультрахолодные полярные молекулы. Их особенность — наличие электрического дипольного момента, то есть асимметричное распределение заряда. Это позволяет молекулам эффективно взаимодействовать друг с другом, что необходимо для выполнения квантовых операций.
Для кодирования данных исследователи предлагают использовать вращательные уровни молекул — состояния с разной энергией вращения. В зависимости от задачи каждая молекула может работать как обычный кубит (два уровня) или как кудит (до пяти уровней).
Управление молекулами планируется осуществлять с помощью оптических пинцетов — сфокусированных лазерных лучей. При сближении двух молекул их взаимодействие усиливается, что позволяет выполнить запутывающую операцию, после чего молекулы разводятся. Это делает платформу пригодной для построения полноценных квантовых алгоритмов.
Чтобы проверить идею, ученые провели численное моделирование для двух типов молекул — фторида стронция (SrF) и соединения натрия с цезием (NaCs). Расчеты показали, что на такой системе можно реализовать универсальный набор операций для двух-, трех-, четырех- и пятиуровневых систем. Время выполнения квантовых операций оказалось примерно в тысячу раз меньше времени когерентности — периода, в течение которого молекулы сохраняют нужное квантовое состояние. Это, по мнению авторов, дает необходимый запас для будущих экспериментальных проверок.
«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».
Солех Муминов, ключевой автор исследования, сотрудник научной группы «Теория многих тел» Российского квантового центра
В исследовании подчеркивается, что данная работа демонстрирует потенциальную применимость полярных молекул не просто как отдельных носителей информации, а как базы для масштабируемого квантового процессора с многоуровневой логикой.