Мы все с раннего детства узнаем, что компьютеры работают с нулями и единицами, также известными как двоичная информация. Этот подход оказался настолько успешным, что компьютеры теперь питают все - от кофемашин до самоуправляемых автомобилей, и трудно представить жизнь без них.

Основываясь на этом успехе, современные квантовые компьютеры также разрабатываются с учетом двоичной обработки информации. "Однако строительные блоки квантовых компьютеров - это нечто большее, чем просто нули и единицы", - объясняет Мартин Рингбауэр, физик-экспериментатор из Инсбрука, Австрия. "Ограничение их бинарными системами не позволяет этим устройствам реализовать свой истинный потенциал".

Команде, возглавляемой Томасом Монцем с кафедры экспериментальной физики Университета Инсбрука, теперь удалось разработать квантовый компьютер, который может выполнять произвольные вычисления с помощью так называемых квантовые цифры (qudits), тем самым высвобождая большую вычислительную мощность при меньшем количестве квантовых частиц.

Квантовые системы отличаются

Хотя хранение информации в нулях и единицах - не самый эффективный способ выполнения вычислений, это самый простой способ. Простота часто также означает надежность и устойчивость к ошибкам, и поэтому двоичная информация стала неоспоримым стандартом для классических компьютеров.

В квантовом мире ситуация совершенно иная. В квантовом компьютере Инсбрука, например, информация хранится в отдельных захваченных атомах кальция. Каждый из этих атомов, естественно, имеет восемь различных состояний, из которых обычно только два используются для хранения информации. Действительно, почти все существующие квантовые компьютеры имеют доступ к большему количеству квантовых состояний, чем они используют для вычислений.

Естественный подход к аппаратному и программному обеспечению

Физики из Инсбрука теперь разработали квантовый компьютер, который может использовать весь потенциал этих атомов, вычисляя с помощью qudits. В отличие от классического случая, использование большего количества состояний не делает компьютер менее надежным. "Квантовые системы, естественно, имеют больше, чем просто два состояния, и мы показали, что можем одинаково хорошо управлять ими всеми", - говорит Томас Монц.

С другой стороны, многие задачи, требующие квантовых компьютеров, такие как задачи по физике, химии или материаловедению, также естественным образом выражаются на языке кудит. Переписывание их для кубитов часто может сделать их слишком сложными для современных квантовых компьютеров. "Работа с большим количеством нулей и единиц очень естественна не только для квантового компьютера, но и для его приложений, позволяя нам раскрыть истинный потенциал квантовых систем", - объясняет Мартин Рингбауэр.