Работа открывает отличный от привычного путь масштабирования платформы для квантовых вычислений на ионах, сообщается в пресс-релизе, поступившем в редакцию N + 1.

Описание любой платформы для квантовых вычислений не обходится без базового элемента — кубита. Кубит — это двухуровневая система, она описывает атом, ион, фотон, трансмон или дефект в решетке и каждая их этих реализаций кубита может находиться в двух крайних состояниях: 0 или 1; или же в состоянии их суперпозиции. Если рассматривать атомы или ионы, где роль состояний играют энергетические уровни, то можно обнаружить, что в вычислениях задействуют лишь малую часть всей системы. Довольно естественным способом кажется использовать все или хотя бы еще несколько энергетических уровней, то есть приготавливать кудиты — системы с больше, чем двумя уровнями.

Группа физиков из Российского квантового центра и Физического института имени Лебедева РАН под руководством Николая Колачевского (N. Kolachevskiy) смогла экспериментально реализовать такой подход для 4 энергетических уровней. В результате им удалось масштабировать систему без добавления дополнительных ионов, задействовав для вычислений дополнительные уровни уже существующих частиц.

Ученые использовали атомы иттербия Yb⁺ для создания куквартов — кудитов с четырмя уровнями. Процедуры загрузки ионов в ловушку, их охлаждение и выстраивание для создания ионного кристалла не отличаются от тех, что требуются для работы с кубитами. Главное отличие в возбуждении ионов состоит в том, что в случае кубитов необходимо осуществлять и регистрировать переходы между двумя уровнями энергии, а в случае кутритов или куквартов в игру вступают еще один или два уровня.

Схема энергетических уровней иона

Несмотря на очевидность идеи создания кудитов, технически реализовать ее оказывается не так просто из-за того, что приходится задействовать близкорасположенные энергетические уровни. Авторы подбирали резонансное излучение для каждого из переходов: из состояния 0 в состояние 1, 2 или 3. При этом важно, что для реализации однокудитной операции им было необходимо фокусироваться на одном ионе и проводить все манипуляции только над ним. Поэтому при исследовании однокудитных операций и, ученые проверяли насколько хорошо им удавалось не затрагивать соседний ион.

Результат применения одно- или двухкудитной операции можно оценить по тому, как после нее перераспределились электроны по энергетическим уровням. В квантовомеханических терминах — спроецировать полученное состояние на заданный базис. В эксперименте физикам необходимо было направлять охлаждающее излучение на один из ионов и следить за сигналом от него: если ион проецировался в состояние 0, то он начинал активно рассеивать фотоны, что легко регистрировал детектор; во всех остальных случаях флуоресценция иона оказывалась подавленной, как и фотонный сигнал от него. Единократное проведение такого измерения не может с хорошей точностью описать заселенность уровней, поэтому авторы набирали статистику и получали близкие к реальности данные о распределении электронов.Если перед началом детектирования применить однокудитную операцию и поменять местами населенности нулевого состояния и какого-либо еще, то таким же способом можно измерить заселенность этого уровня.

Реализация двухкудитной операции требует более сложной схемы возбуждения — бихроматического излучения на двух частотах, которые подбираются с необходимой отстройкой, пропорциональной частоте Раби. Детектирование состояния, полученного в результате применения двухкудитной операции, во многом похоже на описанную процедуру для однокудитной, но задействует оба иона. Из-за этого необходимо довольно точно разделять три разных исхода измерения: когда оба иона проецируются в состояние 0, когда в 0 проецируется только один из них или оба проецируются в ненулевое состояние. Для этого ученые делают калибровки перед экспериментом — они измеряют какого уровня сигнал на детекторе можно зарегистрировать от каждого иона, когда он находится в невозбужденном состоянии.

Просто научиться проводить операции над кудитами не все, что нужно для квантовых вычислений. Все операции необходимо проводить с высокой точностью, то есть быть уверенным в том, что каждое одно- или двухкудитное работает так, как описывает теория. Проверку достоверности применяемых операций можно делать разными способами — сравнивая с теоретическими предсказаниями разных величин. В работе авторы измеряли зависимость населенности каждого из четырех энергетических уровней для разных длительностей импульсов излучения и сравнивали полученные графики с теоретическими. Изначальную задачу, которую ставили себе физики — научиться делать операции с достоверностью не ниже 50 процентов — им удалось решить.