Квантовые вычисления традиционно используют кубиты, которые могут находиться в состояниях «0», «1» или их суперпозиции. Однако исследователи начали экспериментировать с «кудитами» — квантовыми единицами информации, способными принимать три и более состояний одновременно. В статье, опубликованной в Nature Physics, физики описали использование «кутритов» (три состояния) и «квинтов» (пять состояний) для моделирования взаимодействия высокоэнергетических частиц через электромагнитное поле. Ранее в Physical Review Letters (PRL) они воспроизвели поведение сильного ядерного взаимодействия с помощью кутритов.
Кудиты особенно полезны для моделирования квантовых полей, что является одной из ключевых задач квантовых вычислений. Они позволяют предсказывать явления в коллайдерах частиц или химические реакции, недоступные для классических компьютеров. Кристин Мушик, соавтор статьи, отмечает, что кудиты более естественно подходят для таких задач, чем кубиты.
Кудиты также могут повысить эффективность вычислений и снизить вероятность ошибок. Каждая вычислительная единица, например, захваченный ион или фотон, может кодировать больше информации, что ускоряет масштабирование квантовых компьютеров. Однако работа с кудитами сложнее, чем с кубитами, что создает дополнительные технические трудности.
Большинство квантовых компьютеров используют кубиты, но их системы могут быть адаптированы для работы с кудитами. Например, сверхпроводящие квантовые чипы IBM уже способны работать как кутриты. В эксперименте, описанном в PRL, кутриты были закодированы на сверхпроводящем чипе, а в работе Nature Physics использовались возбужденные состояния ионов кальция для представления квинт.
Кудиты могут помочь в моделировании сложных процессов, таких как образование протонов из кварков или столкновения нейтрино в сверхновых. Однако их практическое применение требует разработки методов квантовой коррекции ошибок. Теоретически кудиты могут снизить накладные расходы на коррекцию ошибок, но их реализация остается сложной задачей.
В препринте, опубликованном в сентябре 2022 года, исследователи использовали кудиты для увеличения избыточности информации и исправления ошибок. Тем не менее, пока неясно, как будет выглядеть крупномасштабный квантовый компьютер на основе кудитов.
Таким образом, кудиты открывают новые возможности для квантовых вычислений, но их внедрение требует решения технических и теоретических проблем.
Часть квантового компьютера в Университете Инсбрука, на котором исследователи проводили моделирование с использованием кутритов и квинтов. Фото: К. Лакнер / Университет Инсбрука.
Источник: Meet ‘qudits’: more complex cousins of qubits boost quantum computing