В последнем выпуске журнала Nature исследователи представили кудиты — системы, которые могут хранить квантовую информацию в трех или более состояниях. Эти кудиты, которые включают квриты (состоящие из трех состояний) и кварты (состоящие из четырех состояний), могут предложить новые возможности для коррекции квантовых ошибок.
Сложности с кудитами
Почему же использование более сложных кудитов не получало широкого распространения? Одна из причин заключается в том, что многие квантовые устройства ограничены двумя состояниями. В других случаях дополнительная разница между состояниями бывает настолько незначительной, что их сложно различить. Помимо этого, выполнение операций с кудитами требует иной модели программирования и может быть более сложным.
Тем не менее, есть веские доводы в пользу использования многосостоящих квантовых систем. Если мы можем хранить больше информации в меньшем объеме оборудования, теоретически это позволит быстрее перейти к полезным квантовым расчетам, снижая при этом потребность в большом количестве кубитов.
Однако, когда количество состояний увеличивается, возникает проблема с ошибками. Исследования показали, что с увеличением числа состояний растет и вероятность ошибок. Для решения этой проблемы ученые продемонстрировали первую коррекцию ошибок в квантовых системах высшего порядка с использованием кудитов.
Создание кудитов с помощью трансмонов
Для своих экспериментов исследователи использовали трансмон — тип кубита, который представляет собой сверхпроводящий провод, соединенный с микроволновым резонатором. В их экспериментах этот трансмон был подключен к дополнительному резонатору, который использовался для хранения квантовой информации в виде кудита (кутрита или кукварта). В таких системах количество фотонов в резонаторе определяет число возможных состояний, что позволяет использовать большее количество энергетических уровней для хранения информации.
Однако увеличение числа состояний ведет к увеличению потери фотонов, что повышает вероятность ошибок. Для борьбы с этим исследователи применили коррекцию ошибок, с помощью которой смогли продлить время хранения информации.
Как работает коррекция ошибок на кудитах?
Трансмон не только управляет состоянием резонатора, но и используется для выполнения слабых измерений, которые помогают обнаружить ошибки, не разрушая состояния кудита. Эти измерения не дают точной информации о состоянии системы, но могут определить, произошло ли изменение, что указывает на ошибку.
Используя обучение с подкреплением, исследователи оптимизировали систему управления для стабилизации состояния кудита. Это позволило повысить его долговечность, несмотря на ошибки, и сделало возможным его использование в квантовых вычислениях.
Результаты экспериментов
В ходе экспериментов исследователи измерили долговечность квантовой памяти, используя кубиты, кудриты и кукварты. Без коррекции ошибок каждое увеличение числа состояний приводило к снижению долговечности. Однако, когда была применена коррекция ошибок, время жизни кудита увеличилось примерно в 1,8 раза. Например, исправленный кутрит оставался в своем состоянии так же долго, как и неисправленный кубит, а исправленный кварт оказался более стабильным, чем неисправленный кутрит.
Что это значит для будущего квантовых вычислений?
Это исследование представляет собой доказательство принципа, который демонстрирует, что коррекция ошибок может повысить стабильность более сложных квантовых систем. Хотя это не решает проблему сложности выполнения вычислений с многосоставными квантовыми системами, но открывает путь к дальнейшим улучшениям.
Если удастся создать системы, которые могут частично решить проблемы с количеством кубитов и частотой ошибок, это даст огромные преимущества для квантовых вычислений в будущем. И хотя эти решения еще на стадии разработки, работа с кудитами и коррекцией ошибок имеет большой потенциал.
Источник: https://arstechnica.com/science/2025/05/beyond-qubits-meet-the-qutrit-and-ququart/
Если вам понравился материал, кликните значок - вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал - не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
