Группа ученых из Российского квантового центра продемонстрировала возможность масштабирования квантовых компьютеров, не наращивая количество квантовых носителей информации, а используя их дополнительные уровни.
Главное преимущество квантовых вычислений - способность на порядки быстрее решать определенные классы задач. Если классический бит находится в состоянии 0 или 1, то квантовый бит (кубит) способен принимать оба состояния сразу: и 0, и 1. Это свойство, наряду с квантовой запутанностью, позволяет квантовым вычислительным устройствам по мере увеличения числа кубитов наращивать мощность экспоненциально.
Вместе с тем, основным барьером для эффективного применения технологии остается недостаточное количество кубитов, связанное со сложностью контроля множества независимых частиц. Так, для решения оптимизационных задач необходимы тысячи кубитов, для анализа структуры кофактора нитрогеназы - 4 млн кубитов, а для взлома криптографического алгоритма RSA - около 20 млн кубитов.
В ходе исследования ученые предложили оптимальную схему для реализации одной из ключевых операций, используемой практически во всех квантовых алгоритмах - гейта Тоффоли. Однако вместо кубитов физики применили разновидность многоуровневых квантовых систем (кудитов) - кутриты. В отличие от кубитов, кутриты могут находиться в 3 состояниях одновременно, что позволяет повысить производительность вычислений и качество квантовых операций. Схема была продемонстрирована на сверхпроводниковом квантовом компьютере. Полученные результаты позволят значительно ускорить внедрение квантовых вычислений в индустриальную среду.
Результаты эксперимента, проведенного при поддержке Российского научного фонда, опубликованы в одном из наиболее авторитетных международных журналов в области физики Physical Review A.