Uutta kvanttilaskentaprotokollaa kuditeilla, ei kubiteilla

Christine Muschik , Perimeter Instituten tutkijakunnan jäsen ja Waterloon yliopiston kvanttilaskennan instituutin professori, työskentelee nykyään kvanttilaskennan eturintamassa – käyttämällä ei vain "kubitteja", vaan myös monitasoisilla "kuditeilla", jotka ylittävät binaarisuuden todellisuuden.

Muschik on yksi kahdesta johtajista Nature Physics -julkaisussa, “Simulating two-dimensional lattice gauge theories on a qudit quantum computer” https://www.nature.com/articles/s41567-025-02797-w

Hän johtaa ryhmää, Waterloon yliopiston kvanttivuorovaikutusteoriaryhmää, joka on työskennellyt kokeellisen ryhmän kanssa Innsbruckin yliopistossa käyttämällä loukku-ioni kvanttitietokonetta, joka käsittelee kalsiumioneja (varautuneita kalsiumatomeja).

"Teimme yhdessä teimme kvanttisimulaation, kvanttilaskelman, joka käyttää protokollaamme kuditteineen", Muschik sanoo.

Suurin osa kvanttilaskennasta nykyään tehdään kubiteilla mutta luonto ei ole niin binaarinen. "Melkein kaikki kvanttijärjestelmät voivat olla useammassa kuin kahdessa tilassa. Se on itse asiassa hyvin luonnollista kvanttijärjestelmille", Muschik sanoo.

Muschik on työskennellyt hyödyntääkseen näitä monitasoisia luonnontiloja tehdäkseen kvanttilaskentaa käyttämällä kuditteja, jotka voivat kuljettaa informaatiota paljon tehokkaammalla tavalla kuin tavalliset kvanttilaskennan kubitit.

Kahdessa mahdollisessa tilassa (0 ja 1) olevan kubitin sijaan kuditti voi edustaa d mahdollista tilaa lisäämällä tiloja korkeammissa ulottuvuuksissa. Se voi olla kutritti (d=3) kolmessa mahdollisessa tilassa: 0, 1 ja 2. Tai se voi olla ququart (d=4) neljässä mahdollisessa tilassa: 0, 1, 2 ja 3. Tai ququint, (d=5), vastaavasti 0,1,2,3,4 tilassa.

Nature Physicsissä kuvattu äskettäinen kokeilu osoitti, että kuditti-portit ovat suuri parannus perinteiseen kubit-lähestymistapaan verrattuna.

Lisäksi tutkijat osoittivat ratkaisevan askeleen tiellä kohti luonnon vuorovaikutusten simulointia. Tämä on ensimmäinen kerta, kun täysimittainen kuditti-algoritmi on ajettu kvanttitietokoneessa, Muschik sanoo. "Olemme ylpeitä siitä."

Aiemmin useimmat tutkijat välttelivät tietoisesti korkeamman tason tiloja, koska "jos sinulla on vähemmän tasoja, sinulla on periaatteessa helpompi hallita kaikkea", hän sanoo. Mutta viime vuosina Innsbruckin yliopiston tutkijat ovat pystyneet kehittämään korkealaatuisia kuditti-portteja, jotka ovat yhtä tarkkoja kuin kubitti-portit", Muschik sanoo.

Muschik sanoo, että käyttämällä kubittien vaihtoehtoa – kuditteja – kvanttitietokone voi tehdä enemmän vähemmällä ja siten vähentää virheiden mahdollisuutta.

"Kubiteilla ratkaistava monimutkainen ongelma vaatii pitkän piirin, jossa on lukuisia kvanttiportteja. Nykyisellä kohisevien ja epätäydellisten porttien aikakaudella liiallinen porttioperaatio johtaa kuitenkin huomattavaan virhekertymään. Vähentämällä porttien määrää virheet vähenevät, mikä tuottaa puhtaampia tuloksia. Kudittien käyttö kubittien sijaan mahdollistaa tehokkaammat ja siten lyhyemmät piirit, jotka tuottavat parempia tuloksia", Muschik sanoo

Sen lisäksi, että kvanttiresursseja voidaan käyttää tehokkaammin, on olemassa muita mahdollisia etuja, kuten kvanttilaskennan virheenkorjaus, joita myös tutkitaan edelleen.

Muschik on innoissaan kudittitien potentiaalista tehokkaampien ja realistisempien kvanttisimulaatioiden suorittamisessa. Myös muut kvanttilaskentaryhmät osoittavat nyt kiinnostusta kudittien käyttöön.

"Saatamme hyvinkin olla uuden aallon alussa kvantti-informaation käsittelyssä", hän sanoo.

Aiheesta aiemmin:

Yksisuuntaisen lämpövirran tuottaminen kvanttitasolla

Enemmän kuin kubitti: Kvanttilaskentaa kutriteilla

Kuditteja ja kurveja