Jak by „Qudits“ mohl posílit kvantové výpočetní techniky

Jak by „Qudits“ mohl posílit kvantové výpočetní techniky

Podle Davide Castelvecchi A Přírodní časopis

Kvantové výpočetní techniky dosud téměř vždy zahrnovaly výpočet s qubits – Quantum objekty, které mohou vzít hodnotu „0“ nebo „1“ jako běžné počítačové bity, ale to může být také v rozsahu kombinací 0 a 1.. Nyní vědci produkují první aplikace „ztroskotání:“ jednotky, které nabízejí kombinace tří nebo více simultárních států.

V příspěvku zveřejněném dne 25. března Fyzika přírodyFyzici popisují, jak používali „Qutrity“ a „Ququints“-quddit se třemi a pěti státy-simulovat, jak vysokoenergetické kvantové částice interagují prostřednictvím elektromagnetického pole. Práce se řídí výsledkem zveřejněným v Fyzikální kontrolní dopisy (PRL) V září to reprodukovalo chování jiného kvantového pole, chování silné jaderné síly pomocí Qutritů.

Takové simulace kvantových polí jsou považovány za jednu z nejslibnějších aplikací kvantových počítačů, protože tyto stroje by mohly předpovídat jevy v částicích nebo chemických reakcích, které jsou mimo schopnosti běžných počítačů vypočítat. Qudits jsou pro tento úkol přirozeně vhodný, říká teoretická fyzická Christine Muschik, spoluautorka Fyzika přírody papír, který také propagoval takové simulace s Qubits v roce 2016 spolu s kolegy na University of Innsbruck v Rakousku. „Kdybych se mohl vrátit včas ke svému starému já, řekl bych jí: Proč ztrácet čas s qubits?“ říká Muschik, který je nyní na Kanadě University of Waterloo.

O podpoře vědecké žurnalistiky

Pokud se vám tento článek líbí, zvažte podporu naší oceněné žurnalistiky předplatné. Zakoupením předplatného pomáháte zajistit budoucnost působivých příběhů o objevech a myšlenkách, které dnes formují náš svět.

„Tento přístup Qudit není řešením všeho, ale pomáhá vám, když je pro problém vhodný,“ říká Martin Ringbauer, experimentální fyzik na University of Innsbruck a hlavní autor příspěvku.

Obecněji, Qudits může pomoci vytvořit výpočty na kvantovém počítači efektivnějším a méně náchylným k chybám, alespoň na papíře. S Qudits, každá výpočetní jednotka, která dříve kódovala qubit – jako a uvězněný ion nebo foton—Na může najednou zabalit další informace a pomoci strojům rychleji se zvětšit. Ale taktika je méně zralá než přístupy založené na qubits a ďábel může být v detailu. „Qudits je také komplikovanější s nimi pracovat,“ říká Benjamin Brock, experimentální fyzik na Yale University v New Haven, Connecticut.

Vylepšení systému

Ve většině typů kvantového počítače jsou qubits, které vědci používají, dva možné stavy systému, který by přirozeně mělo mnohem více států. Takový systém by proto mohl také hostit Qudits. „Stávající procesory qubit, jako jsou procesory z IBM a Google Lze již provozovat jako Qutrity a vyžadovalo by, aby drobná vylepšení fungovala jako vysokorozměrné qudity, “říká Machiel Blok, fyzik na University of Rochester v New Yorku. (Blok a jeho tým provedli experimenty v jejich laboratoři, ve kterých supravodiče kódovaly Qudits až 12 úrovní.)

Pro jejich simulace kvantového pole autoři Prl Papír kódoval Qutrity na supravodivém kvantovém čipu, který IBM poskytuje vědcům, a který se obvykle používá jako qubit stroj. Ringbauer, Muschik a jejich kolegové používali vzrušené stavy vápníkových iontů k reprezentaci jejich pětiúrovňových ququints. Ququint je přirozený způsob, jak reprezentovat pole, které může být ve stavu s nejnižší energií (s hodnotou 0) nebo má pozitivní nebo záporné hodnoty od -2 do +2 v kterémkoli bodě prostoru, říká Muschik.

V budoucnu by takové simulace mohly pomoci vysvětlit, jak se kvarci drží pohromadě a vytvářejí protony nebo jak se neutrina srazí mezi sebou v intenzivním prostředí exploze supernovy, říkají fyziky. „Existuje velká naděje, že budou mít nové efekty, které můžeme identifikovat i s kvantovými počítači skromný,“ říká Martin Savage, fyzik na University of Washington v Seattlu.

Korekce chyb

V zásadě lze jakýkoli výpočet, který lze provádět pomocí qubits, také s qudity jakékoli dimenze, a naopak: jakýkoli qudit lze kódovat v sadě qubits. Sdílení informací mezi více qubits je však notoricky složité a může zavést výpočetní chyby. Provedení kvantového algoritmu na Qudits by mohlo vyžadovat méně kroků, a proto má nižší šanci na zavedení chyb, říká Muschik.

Teoretici vymysleli sofistikované schémata „korekce kvantové chyby“, aby zachytily a opravovaly chyby šířením informací na stále více qubits, aby snížily míru chyb. V zásadě by Qudits mohl tuto režii snížit a stále přinést stejnou úroveň korekce chyb, ale experimentálně „existuje složitý seznam kompromisů“, říká teoretik Earl Campbell, viceprezident Quantum Science v Riverlane, začínající kvantově softwarové společnosti ve Velké Británii. „Budování kódu pro Qudits je o něco těžší.“

V předtisku zveřejněném loni v září zakódovali Brock a jeho spolupracovníci qudit jako energetické úrovně uvězněných mikrovln a použili některé z dalších dostupných rozměrů ke zvýšení redundance informací a tím správné chyby. „Potřebujeme korekci kvantové chyby s Qudits, pokud budou z dlouhodobého hlediska užitečné,“ říká Brock. Dodává však, že „je to méně jasné, alespoň v tuto chvíli, jak by vypadal rozsáhlý kvantový počítač používající Qudits.“

Tento článek je reprodukován se svolením a byl poprvé publikováno 25. března 2025.