Учёные НИТУ МИСИС и РКЦ объяснили, как упростить квантовые вычисления
Физики Университета МИСИС и Российского квантового центра (РКЦ) систематизировали современные подходы к реализации квантовых алгоритмов с использованием многомерных квантовых систем — кудитов. Они показали, как вовлечение дополнительных уровней квантовых носителей позволяет упростить выполнение сложных квантовых операций и сократить их число по сравнению со стандартными кубитными схемами. Такие подходы могут повысить эффективность квантовых вычислений и приблизить практическое применение квантовых алгоритмов в задачах оптимизации, обработки данных и моделирования сложных систем.
В основе квантовых вычислений лежат кубиты. В отличие от бита в классическом компьютере, который может быть «0» или «1», кубит может быть еще и в суперпозиции. Когда кубит измеряется, он «выбирает» одно из состояний (0 или 1) с вероятностью, заданной его суперпозицией, и «коллапсирует» в это состояние. Каждый кубит кодируется в состояние определенной физической системы, например, атома или фотона. Современные квантовые процессоры пока обладают ограниченным числом таких элементов и чувствительны к ошибкам при выполнении сложных задач, поэтому важной целью остаётся повышение точности и сокращение вычислительных операций. Помимо кубитов, есть более сложные, многоуровневые единицы — кудиты, которые сочетают в себе больше состояний (три, четыре и более) и позволяют обрабатывать больше информации. Если научиться управлять ими, дополнительные уровни можно использовать для упрощения вычислений без увеличения числа физических носителей информации: атомов, ионов, сверхпроводниковых систем и т.д.
Исследователи НИТУ МИСИС разработали схемы, в которых дополнительные уровни кудитов подключаются только на время выполнения отдельных шагов алгоритма, а затем система возвращается к стандартному кубитному режиму работы. Это позволяет эффективнее реализовывать любые квантовые алгоритмы.
«Мы показали, как упростить сложные операции, без которых невозможно большинство квантовых алгоритмов. Обычно для их выполнения требуется множество шагов и дополнительных элементов, что повышает риск ошибок. Использование дополнительных состояний, уже имеющихся в кудитах, позволяет сократить количество шагов для выполнения подобных операций», — отметил директор Института физики и квантовой инженерии НИТУ МИСИС, PhD Алексей Фёдоров.
Новый подход не привязан к конкретной технологии и может применяться на различных квантовых платформах — от сверхпроводниковых схем до ионных и фотонных систем. Это делает разработку универсальной и перспективной для дальнейшего развития квантовых вычислений. Результаты работы помогают приблизить практическое применение квантовых алгоритмов и повысить эффективность квантовых устройств следующего поколения.
«Мы сознательно фокусируемся на квантовых алгоритмах, представленных в виде кубитных цепочек, поскольку именно в таком виде сегодня описывается подавляющее большинство квантовых алгоритмов. Это позволяет напрямую связать теоретические идеи с реальными аппаратными платформами и показать, как кудиты могут быть использованы без необходимости полностью переосмысливать существующие алгоритмы», – уточнила к.ф.-м.н. Анастасия Николаева, старший научный сотрудник группы квантовых информационных технологий РКЦ и НИТУ МИСИС.
Статья опубликована в Reviews of Modern Physics (Q1), который входит в топ-1% научных изданий по цитируемости. По данным крупнейшей базы данных Scopus, процентиль журнала равен 99 — то есть его статьи цитируются чаще, чем у 99% других журналов. Издание занимает 13-е место среди более чем 49 000 журналов по всем областям науки.
«Мы проанализировали широкий круг подходов к использованию кудитов в квантовых вычислениях — как разработанных в наших предыдущих исследованиях, так и предложенных другими научными коллективами. Нам было важно не просто собрать эти результаты вместе, но и показать их сильные и слабые стороны, а также сделать общую картину понятной для разработчиков квантового “железа” и коллег-теоретиков, работающих над квантовыми алгоритмами», — подчеркнул к.ф.-м.н. Евгений Киктенко, младший научный руководитель группы квантовых информационных технологий РКЦ.
Исследование выполнено в рамках стратегического технологического проекта НИТУ МИСИС «Квантовый интернет» по программе Минобрнауки России «Приоритет-2030», а также при поддержке Российского научного фонда.
Об университете
Университет МИСИС — ведущий вуз в области создания, внедрения и применения новых технологий и материалов. Первым в России получил статус «Национальный исследовательский технологический университет». Входит в ТОП-5 лучших вузов страны по версии Round University Rankings и в топ-10 согласно рейтингам Times Higher Education (THE) и Interfax. В составе: 10 институтов, 6 филиалов – четыре в России и два за рубежом; 48 исследовательских лабораторий и инжиниринговых центров. Основные направления: создание инновационных материалов для микроэлектроники, космоса, ядерной и солнечной энергетики и др.; металлургия; аддитивное производство; горное дело; биоинженерия; ИТ и машинное обучение; квантовые технологии и коммуникации; инжиниринг; промышленный дизайн; технологическое искусство; экономика и инноватика. Университет занимает лидерские позиции в госпрограмме Минобрнауки России «Приоритет-2030» и федеральном проекте «Передовые инженерные школы». Является участником пилотного проекта по совершенствованию системы высшего образования.
