Российские физики объединили два ионных кукварта и продемонстрировали универсальный набор квантовых операций на них. Схема из двух куквартов эквивалентна схеме из четырех кубитов, но при этом ученым не пришлось добавлять ионы в схему — они использовали дополнительные подуровни иона, которые возникают при воздействии с внешним магнитным полем.

Препринт работы доступен на arXiv.org.

Один из альтернативных способов упростить масштабирование квантовых вычислителей — использовать кудиты вместо кубитов. У кудитов уровней больше, чем два (их число обычно обозначают буквой d). Один кудит может заменить несколько кубитов. Это особенно актуально, если физическая система изначально имеет большее число уровней — например, система из ионов.

Ранее физики уже пробовали использовать ионы кальция (⁴⁰Ca⁺) для реализации кудитов и продемонстрировали перспективность такого подхода. Однако уровни этого иона довольно сильно чувствительны к колебаниям магнитного поля, что вызывает декогеренцию кудитов.

Другая проблема создания вычислителей на кудитах скорее теоретическая. Универсальные наборы вентилей (с помощью которых можно приготовить любое состояние) заточены под кубиты. Поэтому часто для того, чтобы реализовать простой вентиль из универсального набора требуется несколько операций над кудитом. По этой причине для эффективного использования кудитных процессоров важно оптимизировать алгоритмы для работы с ними.

Ученые из Физического института имени Лебедева и Российского квантового центра под руководством Николая Колачевского (‪Nikolay Kolachevsky) занялись решением первой проблемы и вместо иона кальция использовали ион иттербия ¹⁷¹Yb⁺.

На нем авторы еще в предыдущей работе реализовали оптический кубит, который управляется при помощи лазера в видимом диапазоне. Энергетическая схема данного иона позволяет сделать кудит менее чувствительный к магнитному полю. Ученым удалось реализовать универсальный набор вентилей на системе из двух кудитов, которого достаточно для запуска квантовых алгоритмов.