Los físicos de Rusia, han demostrado las ventajas de los qubits de tres niveles
Moscú, Rusia, Eurasia.- Los físicos han realizado con éxito «pruebas comparativas» de dispositivos de computación cuántica de tres niveles basados en iones y contactos superconductores y han demostrado que pueden simular con éxito procesos físicos complejos y requieren menos elementos lógicos que los dispositivos cuánticos basados en qubits «tradicionales» de dos niveles. Los resultados del estudio fueron publicados en la revista Physical Review A (Q1).
Las máquinas de computación cuántica utilizan qubits (bits cuánticos) como elementos lógicos. Si los bits clásicos pueden tomar solo uno de dos valores: 0 o 1, entonces los bits cuánticos pueden estar en una superposición de varios estados, cada uno de los cuales se realiza con una probabilidad determinada al medir un qubit. Esta propiedad de los qubits confiere a las máquinas cuánticas la capacidad de resolver muchos problemas que son prácticamente inaccesibles para los ordenadores clásicos más potentes, por ejemplo, la factorización de grandes números.
Por lo general, las computadoras cuánticas usan qubits de dos niveles, que pueden estar en una superposición de dos estados, pero también hay qubits de varios niveles: se llaman qubits y pueden codificar tres (estos son qutrits) o más estados. Los autores del estudio pusieron a prueba sus capacidades.
Los qubits se pueden crear a partir de diversos objetos: iones, átomos fríos, defectos en las redes cristalinas de diamantes, contactos superconductores, que desempeñan el papel de elementos lógicos sobre los cuales se pueden ejecutar algoritmos de cálculo. Desde 2020, FIAN desarrolla dispositivos cuánticos basados en iones de iterbio. En el experimento se utilizó uno de estos dispositivos y otro basado en contactos superconductores de Josephson (transmones).
Los autores del artículo, físicos del Instituto de Física Lebedev, el Instituto de Física y Tecnología de Moscú, el Centro Cuántico Ruso y MISiS, utilizaron ambos dispositivos para simular el proceso de ruptura de la simetría espacio-temporal en un sistema físico. La simetría es una de las propiedades fundamentales del mundo físico; muchas de las leyes físicas siguen siendo verdaderas en el «mundo espejo» si, por ejemplo, cambiamos las cargas de todas las partículas para invertirlas, reflejar su ubicación en el espacio o ejecutar el tiempo. en la dirección opuesta. Sin embargo, los experimentadores han descubierto procesos que violan la simetría; en particular, es una de estas violaciones la que subyace al mecanismo de Higgs, que proporciona la masa de las partículas elementales.
Los físicos modelaron un sistema con simetría PT, simetría del espacio y el tiempo, donde dos niveles de qutrit «funcionaban» como el sistema mismo y el tercero simulaba su entorno externo.
“Como resultado del experimento, ambos ordenadores mostraron resultados muy similares, que concordaban bien con el modelo teórico. Así, demostramos las ventajas del enfoque digital en la computación cuántica. Las computadoras que utilizamos (iónicas y superconductoras) están diseñadas de manera completamente diferente. Pero cada uno de ellos admite su propio conjunto de instrucciones, como un procesador normal en nuestras computadoras. Podemos convertir cualquier tarea en una secuencia de comandos comprensibles para cada uno de los ordenadores disponibles”, explica Ilya Zalivako, investigador del Laboratorio de Óptica de Sistemas Cuánticos Complejos del Instituto de Física Lebedev.
Según los científicos, aprovechando las ventajas de los sistemas qudita sobre los sistemas qubit, esperan demostrar el funcionamiento de una serie de algoritmos, donde la presencia de niveles adicionales reduce significativamente los recursos necesarios para los cálculos. Por ejemplo, en aplicación al algoritmo de Grover, que ayuda a buscar en bases de datos desordenadas o calcular funciones inversas.
