Учёные из НИТУ МИСиС и Российского квантового центра предложили дополнительные уровни квантовой системы алгоритмов, которые на порядок улучшат итоговое качество их выполнения. В итоге мощность квантового процессора вырастет, а операции будут выполняться быстрее.
Основным способом повышения производительности квантовых процессоров стало увеличение числа их кубитов. Однако ионы или атомы, которые часто выступают в роли кубитов, имеют больше двух уровней и могут работать не только как кубиты, но и как кудиты. Кудит — это расширенная версия кубита, которая может находиться в трёх (кутриты), четырёх (кукварты), пяти (куквинты) и более состояниях. Такие состояния позволяют плотнее кодировать данные в физических носителях.
Учёные представили вариант использования куквинтов и эффективную модель декомпозиции обобщенного вентиля Тоффоли (универсального контролируемого обратимого вентиля с тремя входами и выходами, который позволяет построить любую обратимую логическую схему). В качестве примера они рассмотрели квантовый алгоритм Гровера (алгоритм для решения задачи перебора, то есть нахождения решения уравнения вида f(x)=y, где f — булева функция от n переменных) для поиска внутри неупорядоченной базы данных.
Пространство куквинтов можно рассматривать как пространство двух кубитов с общим дополнительным уровнем. Это помогает сократить число физических носителей информации и использовать дополнительный уровень в качестве вспомогательного состояния для упрощения декомпозиции многокубитных вентилей сложных логических операций с кубитами. В итоге получается сократить число двухчастичных гейтов.
Многокубитный гейт Тоффоли — обобщённая на n кубитов версия универсального контролируемого обратимого вентиля. Его применение инвертирует состояние n-го кубита, если все остальные n-1 кубитов находятся в состоянии 1. Располагая в каждом куквинте по два кубита и используя пятый уровень в качестве вспомогательного, можно значительно сократить число двухчастичных гейтов в его разложении.
Для выполнения алгоритма Гровера необходимо неоднократно реализовать многокубитные гейты. Исследователи сравнили три способа декомпозиции многокубитных вентилей в рамках выполнения алгоритма на 2-10 кубитах, когда в качестве носителей информации используются кубиты, кутриты и куквинты. Они продемонстрировали сокращение числа двухчастичных гейтов.
Реализация на куквинтах при большом числе (>5) задействованных в алгоритме кубитов требует на порядок меньше двухчастичных гейтов. Например, для 8-кубитного алгоритма Гровера на кубитах требуется выполнить больше 1000 двухчастичных гейтов, в то время как для его реализации на куквинтах их потребуется всего 88.
Это исследование демонстрирует одно из преимуществ использования кудитов для квантовых вычислений. Его результаты можно применить к квантовым процессорам на ионах, нейтральных атомах, сверхпроводящих цепях и т.д.
В 2021 году учёные из Российского квантового центра создали прототип компьютера с системой из четырёх кубитов, масштабируя её с помощью кудитов. В 2022 году они получили патент на физическую реализацию квантового компьютера на основе кудитов.
