Los físicos de MIPT y el Centro Cuántico Ruso han desarrollado un método que facilitará la creación de una computadora cuántica universal: han descubierto una forma de usar sistemas cuánticos multinivel qudits, cada uno de los cuales es capaz detrabajar con múltiples elementos cuánticos "convencionales": qubits
El profesor Vladimir Man'ko, Supervisor Científico del Laboratorio de Teoría de la Información Cuántica del MIPT y miembro del personal del Instituto Físico Lebedev, Aleksey Fedorov, miembro del personal del Centro Cuántico Ruso, y su colega Evgeny Kiktenko publicaron los resultados de suestudios de sistemas cuánticos multinivel en una serie de trabajos en Revisión física A , Física Letras A y también Mediciones cuánticas y metrología cuántica .
"En nuestros estudios, demostramos que correlaciones similares a las utilizadas para las tecnologías de información cuántica en sistemas cuánticos compuestos también ocurren en sistemas no compuestos, sistemas con los que suponemos que pueden ser más fáciles de trabajar en ciertos casos. En particular, enEn nuestro último artículo, propusimos un método para utilizar el enredo entre los grados internos de libertad de un solo sistema de ocho niveles para implementar el protocolo de teletransportación cuántica, que se implementó previamente de manera experimental para un sistema de tres sistemas de dos niveles ", dice Vladimir Man 'ko.
Las computadoras cuánticas, que prometen provocar una revolución en la tecnología informática, están diseñadas para construirse a partir de elementos de procesamiento elementales llamados bits cuánticos - qubits. Mientras que los elementos de las computadoras clásicas bits solo pueden estar en dos estados cero lógico ylógico uno, los qubits se basan en objetos cuánticos que pueden estar en una superposición coherente de dos estados, lo que significa que pueden codificar los estados intermedios entre el cero lógico y el uno. Cuando se mide un qubit, el resultado es un cero o ununo con cierta probabilidad determinado por las leyes de la mecánica cuántica.
En una computadora cuántica, la condición inicial de un problema particular se escribe en el estado inicial del sistema qubit, luego los qubits entran en una interacción especial determinada por el problema específico, y finalmente, el usuario lee la respuesta ael problema midiendo los estados finales de los bits cuánticos
Las computadoras cuánticas podrán resolver ciertos problemas que actualmente están más allá del alcance incluso de las supercomputadoras clásicas más potentes. En criptografía, por ejemplo, el tiempo requerido para que una computadora convencional rompa el algoritmo RSA, que se basa enla factorización prima de grandes números sería comparable a la edad del Universo. Una computadora cuántica, por otro lado, podría resolver el problema en cuestión de minutos.
Sin embargo, hay un obstáculo importante que se interpone en el camino de una revolución cuántica: la inestabilidad de los estados cuánticos. Los objetos cuánticos que se utilizan para crear qubits: iones, electrones, uniones Josephson, etc., solo pueden mantener un cierto estado cuántico.por un tiempo muy corto. Sin embargo, los cálculos no solo requieren que los qubits mantengan su estado, sino también que interactúen entre sí. Los físicos de todo el mundo están tratando de extender la vida útil de los qubits. Los qubits superconductores solían "sobrevivir" solo duranteunos pocos nanosegundos, pero ahora se pueden guardar durante milisegundos antes de la decoherencia, lo que está más cerca del tiempo requerido para los cálculos.
Sin embargo, en un sistema con docenas o cientos de qubits, el problema es fundamentalmente más complejo.
Man'ko, Fedorov y Kiktenko comenzaron a mirar el problema al revés; en lugar de tratar de mantener la estabilidad de un sistema de qubit grande, intentaron aumentar las dimensiones de los sistemas necesarios para los cálculos.están investigando la posibilidad de utilizar qudits en lugar de qubits para los cálculos. Los Qudits son objetos cuánticos donde el número de estados posibles niveles es mayor que dos su número se denota con la letra D. Hay qutrits con tres estados, cuartos cuatro estados, etc. Los algoritmos ahora se están estudiando activamente en los que el uso de qudits podría resultar más beneficioso que el uso de qubits.
"Un qudit con cuatro o cinco niveles puede funcionar como un sistema de dos qubits" ordinarios ", y ocho niveles son suficientes para imitar un sistema de tres qubit. Al principio vimos esto como una equivalencia matemática que nos permite obtenernuevas correlaciones entrópicas. Por ejemplo, obtuvimos el valor de la información mutua la medida de correlación entre qubits virtuales aislados en un espacio de estado de un solo sistema de cuatro niveles ", dice Fedorov.
Él y sus colegas demostraron que en un qudit con cinco niveles, creado usando un átomo artificial, es posible realizar cálculos cuánticos completos, en particular la realización del algoritmo Deutsch. Este algoritmo está diseñado para probar los valores de un grannúmero de variables binarias.
Se puede llamar el algoritmo de monedas falsas: imagine que tiene varias monedas, algunas de las cuales son falsas; tienen la misma imagen en el anverso y en el reverso. Para encontrar estas monedas utilizando el "método clásico"tienes que mirar a ambos lados. Con el algoritmo de Deutsch "fusionas" el anverso y el reverso de la moneda y luego puedes ver una moneda falsa con solo mirar un lado.
La idea de utilizar sistemas multinivel para emular procesadores de múltiples qubits se propuso anteriormente en el trabajo de los físicos rusos del Instituto Físico-Técnico de Kazán. Para ejecutar un algoritmo Deutsch de dos qubits, por ejemplo, propusieron usar un giro nuclear de3/2 con cuatro estados diferentes. Sin embargo, en los últimos años, el progreso experimental en la creación de qudits en circuitos superconductores ha demostrado que tienen una serie de ventajas.
Sin embargo, los circuitos superconductores requieren cinco niveles: el último nivel desempeña una función auxiliar para permitir un conjunto completo de todas las operaciones cuánticas posibles.
"Estamos progresando significativamente, porque en ciertas implementaciones físicas es más fácil controlar qudits multinivel que un sistema del número correspondiente de qubits, y esto significa que estamos un paso más cerca de crear una computadora cuántica completa. Multinivellos elementos también ofrecen ventajas en otras tecnologías cuánticas, como la criptografía cuántica ", dice Fedorov.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Física y Tecnología de Moscú . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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