Эффективная реализация квантового алгоритма с использованием кубдита в ловушке иона

Более умные квантовые элементы для более быстрых поисков

Современным квантовым компьютерам трудно масштабироваться, потому что управление большим количеством хрупких квантовых битов технически сложно. Это исследование демонстрирует иной путь: вместо того чтобы добавлять больше двухуровневых квантовых битов (кубитов), в один носитель помещают больше информации, используя частицы с несколькими уровнями, называемые «кубдитами». Благодаря этому команда выполняет ключевой квантовый алгоритм поиска с высокой точностью на одном запертком ионе, намекая на возможность более компактных и эффективных квантовых машин.

От двухуровневых битов к многуровневым состояниям

Большинство квантовых устройств используют кубиты, которые, как и классические биты, имеют два базовых уровня. Но многие физические системы по сути предлагают более двух внутренних состояний. Кубдит использует d уровней вместо двух, поэтому одна частица может заменять несколько кубитов. Такое повышение плотности информации может сократить необходимое оборудование для выполнения задачи и уменьшить число сложных, склонных к ошибкам операций между частицами. Основная задача — научиться точно управлять и считывать все эти уровни, чтобы запускать реальные алгоритмы.

Один ион как миниатюрный стеллаж для квантовых данных

Авторы используют одиночный ион бария (в частности ¹³⁷Ba⁺), зафиксированный над микрофабрикатированной пластиной. Благодаря своей внутренней структуре этот ион располагает 24 долгоживущими состояниями. Исследователи аккуратно выбирают наборы по пять и восемь из этих состояний для представления своих кубдитов, балансируя три требования: переходы между выбранными состояниями должны быть сильными, нечувствительными к шуму магнитного поля и достаточно разнесёнными по частоте от нежелательных состояний, которые могли бы вызывать утечки. Затем они готовят и измеряют состояние иона с помощью лазера и радиочастотных импульсов так, чтобы ошибки подготовки и считывания оставались достаточно малыми для строгих тестов квантовых алгоритмов.

Оркестровка множества тонов для управления кубдитом

Управление несколькими энергетическими уровнями одновременно гораздо сложнее, чем переворот одного кубита. Команда посылает до семи синхронизированных радиочастотных тонов через электроды рядом с ионом. Каждый тон настроен на конкретный переход между соседними уровнями. Регулируя амплитуды и фазы этих тонов, они эффективно создают единое «спиновое» вращение, действующее на всю многуровневую систему. Важно, что с этой схемой любую желаемую операцию на кубдите можно построить из числа импульсов, которое растёт лишь линейно с числом уровней, а не квадратично, как в простых подходах. Для грубой калибровки они используют спектроскопию и Раби-осцилляции, затем уточняют параметры импульсов с помощью случайного бенчмаркинга и численной оптимизации до минимизации ошибок вентилей.

Запуск квантового поиска внутри одной частицы

Чтобы проверить контроль, исследователи реализуют алгоритм поиска Гровера, известную квантовую процедуру, которая находит отмеченный элемент в неупорядоченной базе данных за меньшее число шагов, чем любой классический метод. Здесь разные уровни иона представляют записи базы данных. Алгоритм начинается с создания равномерной суперпозиции по всем состояниям кубдита, затем многократно применяются две операции: «оракул», меняющий фазу отмеченного состояния, и «отражение», увеличивающее его вероятность в ущерб другим. Используя только одиночные импульсы по кубдиту — без вовсе каких-либо запутывающих вентилей — они выполняют одну итерацию Гровера на пяти- и восьмиуровневых версиях кубдита. Для пяти уровней алгоритм успешен примерно в 96.8% случаев, что очень близко к теоретическому оптимуму, а полная распределённая вероятность совпадает с теорией на уровне 99.9%. Для восьми уровней успешность составляет 69%, что по-прежнему сопоставимо или лучше демонстраций на множестве кубитов, требующих значительно большего числа вентилей.

Что ограничивает производительность и что будет дальше

Главные недостатки связаны с декогеренцией, когда флуктуации магнитного поля постепенно разрушают тонкие суперпозиции в ионе, и с малыми побочными возбуждениями состояний за пределами выбранного кубдита. Моделирования, включающие эти эффекты, согласуются с наблюдаемой производительностью, подтверждая корректность самого метода управления. Авторы утверждают, что объединение кубдитов умеренного размера — каждый, скажем, с пятью-десятью уровнями — по нескольким ионам может поддерживать более мощные алгоритмы без взрывного роста аппаратных затрат. В будущей работе планируется сосредоточиться на проектировании эффективных запутывающих вентилей между кубдитами и изучении того, как эти более высокоразмерные единицы могут упростить коррекцию ошибок и масштабные архитектуры.

Почему это важно для будущих квантовых компьютеров

Для неспециалиста ключевая мысль в том, что квантовые компьютеры не обязательно должны строиться из одинаковых двухуровневых блоков. Используя многуровневые системы, такие как кубдиты, инженеры могут упаковать больше вычислительной мощности в меньшее число физических устройств и сократить количество хрупких многочастичных операций. Это исследование показывает, что один кубдит в ловушке способный выполнить флагманский квантовый алгоритм поиска с производительностью, сопоставимой или превосходящей решения на основе кубитов, при этом используя меньше шагов. Это ранняя, но многообещающая демонстрация того, что более разумное использование квантовых состояний может быть столь же важно, как и простое построение более крупных машин.

Цитирование: Shi, X., Sinanan-Singh, J., Burke, T.J. et al. Efficient implementation of a quantum algorithm with a trapped ion qudit. Nat Commun 17, 1911 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68746-0

Ключевые слова: кубдит в ловушке иона, поиск Гровера, многозначные квантовые системы, квантовые алгоритмы, эффективность квантового оборудования