МОСКВА, 7 апреля. /ТАСС/. Исследователи из России разработали новую методику реализации квантовых алгоритмов на многоуровневых квантовых компьютерах, построенных на базе так называемых куквинтов - пятиуровневых квантовых ячеек памяти. Этот подход более чем на порядок улучшил итоговое качество выполнения квантовых алгоритмов, сообщила в пятницу пресс-служба НИТУ "МИСиС".
"Куквинты хороши тем, что их пространство можно рассматривать как пространство двух кубитов с общим дополнительным уровнем. Благодаря этому подходу при реализации квантовых алгоритмов на куквинтах становится возможным сократить на порядок число двухчастичных логических вентилей, задействующих две физические системы", - сообщил заведующий лабораторией квантовых информационных технологий НИТУ МИСИС (Москва) Алексей Федоров, чьи слова приводит пресс-служба вуза.
Федоров и его коллеги разработали подход, позволяющий использовать сложное устройство многоуровневых квантовых ячеек памяти для упрощения вычислений. В рамках этого подхода российские физики предложили использовать куквинты в качестве аналога двух обычных кубитов с общим вспомогательным уровнем. Это позволяет сократить число квантовых ячеек памяти, необходимых для исполнения логических операций, используемых при реализации всех алгоритмов.
Руководствуясь этой идеей, Федоров и его коллеги разработали подход, позволяющий применять куквинты для расчета так называемого гейта Тоффоли, логической операции "контролируемое НЕ". Ее применение инвертирует состояние одного из кубитов, если все остальные квантовые ячейки памяти находятся в состоянии "1". Данные логические вентили используются в различных квантовых расчетах, в том числе в алгоритме Гровера, который широко применяется в криптографии.
Проведенные российскими исследователями расчеты показали, что при большом числе задействованных ячеек квантовой памяти созданный ими подход позволяет на порядок сократить число операций, необходимых для расчетов. К примеру, для реализации алгоритма Гровера на восьми кубитах требуется свыше тысячи логических операций на обычных кубитах, в то время как для его реализации на куквинтах потребуется около ста двухкубитных операций.
Как отмечают исследователи, подход можно одинаково эффективно реализовать как на многоуровневых ионных квантовых процессорах, которые сейчас создаются в России, так и на других физических платформах, в том числе на квантовых компьютерах на базе нейтральных атомов и сверхпроводящих цепей. В будущем это позволит значительно ускорить квантовые вычисления, требующие проведения большого числа логических операций, подытожили ученые.
Многоуровневые квантовые компьютеры
Большинство существующих сейчас квантовых компьютеров представляют собой вычислительные машины, построенные на базе так называемых кубитов. Так ученые называют квантовые аналоги логических битов, которые представляют собой искусственное подобие атома водорода с двумя энергетическими уровнями. Помимо кубитов существуют и более сложные квантовые ячейки памяти, так называемые кудиты. К их числу относятся кутриты, куквадры и куквинты, обладающие тремя, четырьмя или пятью уровнями.
В теории кутриты и куквадры позволяют уменьшить число частиц, необходимых для хранения и обработки данных, однако при этом ими значительно сложнее манипулировать и связывать друг с другом. Недавно группа исследователей под руководством Алексея Федорова, научного сотрудника НИТУ "МИСиС" и руководителя научной группы Российского квантового центра (РКЦ), разработала несколько подходов, которые значительно упрощают работу с подобными многоуровневыми квантовыми битами.