Журнал об IT-бизнесе, технологиях и цифровой трансформации

Кудиты вместо кубитов: новые «кирпичики» для квантовых вычислений Mail.ru Cloud Solutions
Mail.ru Cloud Solutions

Кудиты вместо кубитов: новые «кирпичики» для квантовых вычислений

Группе ученых из Университета Пердью с помощью технологий фотоники впервые удалось создать новые логические элементы для квантовых вычислений – кудиты. Вычислительная мощность пары кудитов эквивалентна 20 кубитам.

Два фотона на 20 кубитов

В публикации под названием «Многомерная оптическая квантовая логика в больших операционных пространствах» (High-dimensional optical quantum logic in large operational spaces) команда исследователей из Университета Пердью (Purdue University), США, рассказала о создании кудитов и той роли, которая отводится этим «квантовым вентилям» в эре квантовых вычислений.

Благодаря уникальным свойствам новых логических квантовых элементов, ученым с помощью двух 32-мерных кудитов удалось реализовать четырехмерное состояние Гринбергера-Хорна-Цейлингера. Оно занимает пространство Гильберта в эквиваленте 20 кубитов.

Иными словами, система на базе двух кудитов может эмулировать возможности 20-кубитного квантового компьютера. И это только начало.

Когда кубиты «отдыхают»

Бит информации в классических компьютерах – это минимальная ячейка данных, которая может хранить логический ноль или логическую единицу. Двоичная логика и достаточное количество битов позволяют обработать любой объем информации.

Кубит (quantum bit, qubit, qbit) – это «квантовая версия» бита, которая может хранить так называемую «суперпозицию» логического нуля и единицы – ноль, единицу, ноль и единицу одновременно, или ни то, ни другое. Разнообразие возможных состояний кубита значительно увеличивает его емкость, число возможных ветвлений вычислительного процесса за такт, и, соответственно, значительно наращивает потенциальную вычислительную мощность компьютера.

Уникальная возможность квантового компьютера – выбрать правильное решение среди миллионов вероятных комбинаций гораздо быстрее обычного компьютера. В полной мере потенциал квантовых вычислений раскрывается при высокоскоростной обработке больших объемов информации.

Количество битов в кубите Бит
1 1
2 2
3 4
4 8
5 16
6 32
7 64
8 128
9 256
10 512

Продолжив таблицу, можно вычислить, что в 31 кубите содержится 1 073 741 824 бит данных, то есть 1 гигабит. Ученые полагают, что за счет быстрой обработки огромного объема данных и значительно большей информационной емкости кубитов, квантовые системы выйдут в безоговорочные лидеры по вычислительной мощности, когда преодолеют порог в 51 кубит. Разумеется, при наличии оптимальных алгоритмов квантовых вычислений.

Ключевая проблема кубитов в их нестабильности, поэтому создать квантовый компьютер с большим количеством кубитов чрезвычайно сложно. Первый «персональный» квантовый компьютер IBM Q System One для научных и коммерческих расчетов, представленный в январе 2019 года, содержит всего 20 кубитов. Для сравнения: современные компьютеры состоят из сотен миллионов логических элементов, благодаря чему обеспечивают бОльшую вычислительную мощность, нежели квантовые системы.

Но можно не наращивать число кубитов, а создать кубит, который обеспечивает суперпозицию логического нуля, единицы и… еще одного – или даже нескольких логических состояний.

Кудит (qudit, quantum d-git) – это расширенная версия кубита, описываемая квантовой информацией суперпозиций d-состояний (та самая «d» в англоязычной расшифровке термина), где d – целое число более двух (два – это как раз случай кубита). Иными словами, кудит оперирует состояниями одновременно логического нуля, единицы и дополнительных логических значений.

В научной литературе кудит с тремя возможными состояниями (3-уровневый кудит) также называют «кутрит» (qutrit) – по аналогии с «тритом» (trit), основой классической троичной системы исчисления. Соответственно, кудит с четырьмя возможными состояниями (4-уровневый кудит) называют «кукварт» (ququad).

Теоретическое обоснование возможности создания таких многоуровневых квантовых систем еще в 2015 году представил коллектив российских ученых из МГТУ им. Н. Э. Баумана, Института физики Земли им. О. Ю. Шмидта и Российского квантового центра при «Сколково». В научной работе «Многоуровневые сверхпроводящие схемы как двухкубитные системы: операции, подготовка состояний и энтропийные неравенства» (Multilevel superconducting circuits as two-qubit systems: Operations, state preparation, and entropic inequalities), опубликованной в журнале Physical Review A, они предложили нарастить мощность квантовой системы за счет кудитов. Вместо значительно более сложной системы на кубитах, по умолчанию менее стабильной.

Ученым удалось доказать, что кудит с четырьмя или пятью уровнями замещает собой два «обычных» кубита. Кудит с восемью уровнями моделирует систему из трех кубитов. На базе одного кудита с пятью уровнями можно выполнять полноценные квантовые вычисления.

«В определенной физической среде проще управлять многоуровневыми кудитами, чем выстраивать систему из соответствующего числа кубитов, – сказал соавтор научной работы Алексей Федоров, исследователь Российского квантового центра. – Это означает, что мы еще на один шаг приблизились к созданию полнофункционального квантового компьютера».

Первый чип на базе двух связанных кудитов создан в 2017 году исследователями из лаборатории квантовой оптики при Национальном институте научных исследований Канады (INRS University). Это фотонный генератор многомерных квантовых состояний на базе микрочипа с двумя связанными кутритами c 10 возможными состояниями у каждого. В сумме генератор обеспечивает поддержку до 100 измерений. Это больше, чем могут генерировать шесть «обычных» связанных кубитов.

Микрочип из двух связанных кудитов генерирует до 100 квантовых состояний

Микрочип из двух связанных кудитов генерирует до 100 квантовых состояний

Источник: INRS University

 

Квантовые «транзисторы» для кудитов

Квантовые фотонные вентили – своеобразные аналоги транзисторов в классических компьютерах, обеспечивают несколько «степеней свободы» фотонов по таким параметрам как:

  • поляризация,
  • орбитальный угловой момент,
  • время,
  • частота.

«Квантовые установки на фотонах обходятся недешево, есть трудности с генерацией и контролем. Поэтому идеальное решение – собрать как можно больше информации с каждого фотона», – сказал один из соавторов исследования Пулад Имани (Poolad Imany).

При разработке экспериментальной установки на базе кудитов команда исследователей из Университета Пердью, как и их канадские коллеги, использовала кодирование фотонов по частоте и времени. Чтобы обойти потенциальные проблемы многофотонного взаимодействия, производилось кодирование кубитов с разными степенями свободы в одном фотоне. Каждая степень свободы определяла один кубит данных. Благодаря этому дальнейшее взаимодействие связанных кубитов стало детерминированным – исключились случайности в развитии будущих состояний квантовой системы.

Первоначально исследователи экспериментировали с квантовым вентилем, который кодировал четыре кудита (квитрита) в двух связанных фотонах по частоте и времени. Финальная установка на базе четырех кудитов обеспечила вычислительную мощность, эквивалентную 20 «классическим» кубитам.

Двусторонний квантовый вентиль на фотонах

Двусторонний квантовый вентиль на фотонах

Источник: Purdue University. Фото: Эллисон Райс (Allison Rice)

 

По мнению исследователей, разработанный ими квантовый вентиль с кудитами является перспективным решением для создания квантовых компьютеров будущего. Он не только эффективнее традиционных квантовых системам на кубитах, но также обладает большей стабильностью за счет «упаковки» кудитов в фотоны – частицы света, минимально восприимчивые к воздействию окружающей среды.

Кроме того, «квантовые транзисторы» на фотонах способны обеспечить одно из самых больших запутанных состояний квантовых частиц. Чем больше запутанность в так называемом гильбертовом пространстве – сфере, где может происходить квантовая обработка информации, тем лучше.

Квантовая запутанность — это явление, при котором квантовые состояния нескольких объектов взаимодействуют между собой. Иными словами, в случае квантовой запутанности измерение на одной частице автоматически влияет на измерения на другой частице. Таким образом предоставляется возможность обеспечить неразрывную связь между объектами – например, «телепортировать» квантовую информацию из одной точки в другую. В паре фотонов в состоянии квантовой запутанности спин первого фотона оказывается положительным, а спин второго всегда будет отрицательным. И наоборот.

Предыдущий рекорд в разработке подобных систем с применением фотонов поставлен в 2018 году. Группа ученых из Центра разработок в области квантовой информации и квантовой физики при Университете науки и техники Китая в статье «18-кубитная квантовая запутанность с шестью фотонами и тремя степенями свободы» (18-Qubit Entanglement with Six Photons’ Three Degrees of Freedom) рассказала об эксперименте по созданию системы из 18 кубитов, закодированных шестью связанными фотонами в гильбертовом пространстве.

Команде из Университета Пердью удалось достичь значительно большего запутывания с меньшим количеством фотонов за счет кодирования одного кудита по времени, а другого – по частотной составляющей каждого из двух фотонов. В итоге получился квантовый вентиль на двух кудитах, закодированных в двух фотонах, обеспечивающий в общей сложности четыре кудита с 32 измерениями.

Таким образом, всего два фотона с квантовой запутанностью по частоте и дальнейшей квантовой запутанностью каждого фотона по времени и частоте генерируют в итоге четыре полностью квантово запутанных кудита, которые занимают пространство Гильберта с 1 048 576 измерениями – или 32 в четвертой степени. Кодируя квантовую информацию по временной и частотной характеристикам фотонов, исследователи из Пердью сделали работу с квантовыми вентилями детерминированной, а не вероятностной.

«Вентили позволяют нам манипулировать информацией предсказуемым и детерминированным способом… он (компьютер на кудитах – прим. редакции) может выполнять операции, необходимые для определенных задач квантовой обработки информации», – сказал Эндрю Вайнер (Andrew Weiner), заслуженный профессор электротехники и вычислительной техники из Университета Пердью.

В своих дальнейших исследованиях команда ученых из Университета Пердью планирует использовать квантовые вентили для исследования задач квантовой связанности – таких как многоплановая квантовая телепортация, а также для выполнения квантовых алгоритмов в приложениях обучения квантовой вычислительной системы или моделирования молекул.

Популярное
Разработка
Путь к Kubernetes и его преимущества для разработки
Бизнес
Анализ больших данных в облаке: как бизнесу стать дата-ориентированным
Бизнес
Опыт Lamoda: как пережить «черную пятницу»
Ссылка скопирована!