Российские ученые предложили новый путь к многоуровневому квантовому компьютеру

Российские исследователи теоретически обосновали возможность создания многоуровневого квантового процессора на ультрахолодных полярных молекулах. В работе участвовали специалисты Российского квантового центра, НИТУ МИСИС, Математического института им. В. А. Стеклова РАН и МФТИ. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Research.

В отличие от классических кубитов, которые работают с двумя состояниями, предложенная система использует кудиты - многоуровневые квантовые носители информации. Один такой элемент может иметь три, четыре, пять и более состояний. Это позволяет плотнее кодировать данные и в некоторых сценариях упрощать выполнение квантовых алгоритмов.

В качестве платформы ученые рассмотрели ультрахолодные полярные молекулы. У них есть собственный электрический дипольный момент: распределение заряда внутри молекулы несимметрично, поэтому соседние молекулы могут взаимодействовать друг с другом. Именно это взаимодействие можно использовать для квантовых операций.

Рабочими состояниями исследователи предложили сделать вращательные уровни молекул - состояния с разным запасом энергии вращения. В такой архитектуре одна молекула может выступать как кубит или как кудит, в зависимости от выбранной кодировки. Число логических состояний может варьироваться от двух до пяти и подбираться под конкретную вычислительную задачу.

Ключевой результат работы - модель запутывающей операции между двумя молекулами с использованием кудитной логики. Молекулы предлагается удерживать и перемещать оптическими пинцетами, то есть сфокусированными лазерными лучами. Когда молекулы находятся далеко друг от друга, взаимодействие слабое. При медленном сближении оно усиливается, что позволяет выполнить квантовую операцию, после чего молекулы снова разводятся.

Подход проверили численным моделированием для фторида стронция и молекулы NaCs. Расчеты показали возможность реализации универсального набора квантовых операций для систем с двумя, тремя, четырьмя и пятью состояниями. При этом время операций оказалось на три порядка меньше времени когерентности - периода, в течение которого молекулы сохраняют нужное квантовое состояние.

Пока речь идет о теоретической модели, а не о готовом устройстве. Но работа показывает, что полярные молекулы могут рассматриваться не только как отдельные носители квантовой информации, но и как основа для масштабируемого кудитного процессора. Для квантовых вычислений это важно: развитие может идти не только через увеличение числа кубитов, но и через усложнение каждого отдельного логического элемента.