打破二进制范式，新型量子计算机诞生！

因斯布鲁克大学的一个团队成功开发了一种量子计算机，该量子计算机突破二进制范式（0和1），可以使用所谓的量子数字（Qudits）执行任意计算。

该量子计算机解锁了长期以来隐藏在当今几乎所有量子设备中的额外计算资源，以更少的量子粒子释放更多的计算能力。

该研究于近日发表在《Nature Physics》上[1]。

01.传统计算范式的突破

几十年来，计算机一直是二进制信息的代名词（0或1），基于成功的经典计算范式（二进制），今天的量子计算机在设计时也采取了同样的方式。

然而，底层量子硬件不一定是二进制的信息载体组成，但通常表现出丰富的多级结构，该结构被人为地限制在两个能级。

另一方面，从量子化学到量子模拟的广泛应用将受益于对传统量子计算机只能模拟的高维希尔伯特空间的访问。

奥地利因斯布鲁克大学的一个团队演示了一个通用量子数字量子处理器，该处理器使用局部 Hilbert 空间维度高达 7 的捕获离子。

这种方法具有与量子比特量子处理器相似的性能，可以对高维量子系统进行本地模拟，以及更有效地实现基于量子比特的算法。

来自奥地利因斯布鲁克的实验物理学家 Martin Ringbauer 表示，量子计算机的构建模块不仅仅是0和1，将它们限制为二进制系统会阻止这些设备发挥其真正潜力。

02.独特的量子系统，有多种自然状态

尽管以 0 和 1 存储信息并不是最有效的计算方式，但却是最简单的方式。简单通常还意味着可靠且对错误具有鲁棒性，因此二进制信息已成为经典计算机无可挑战的标准。

在量子世界中，情况大不相同。

例如，在因斯布鲁克量子计算机中，信息存储在单个捕获的钙原子中。这些原子中的每一个有八种不同的自然状态，其中通常只有两种用于存储信息。

图｜因斯布鲁克量子计算机将信息存储在单个被捕获的钙原子中，每个钙原子都有八种状态，科学家们已经使用其中多达七种状态进行计算

事实上，几乎所有现有的量子计算机都可以访问比它们用于计算的更多的量子状态。

物理学家展示了一个通用 Qudit 离子阱量子处理器 (TIQP)，它使用了 40Ca+ 离子捕获链的原生多级结构。基于捕获离子平台中的本机交互，他们为 Qudit 量子处理器实现了一个通用门集，其性能接近于可比量子比特系统的性能。

实验表明，每个 40Ca+ 离子本身就支持具有 8 个能级的 Qudit，具有高度连通的希尔伯特空间。

图｜40Ca+ 离子的能级图。量子信息以 S1/2 和 D5/2 状态编码，其中 S 和 D 之间的每个跃迁都可以使用 729nm 的单个窄带激光器访问。

03.Qudit量子处理器的挑战

从 Qudit 硬件中获得最佳性能的两个关键挑战是由于需要大量本地操作而导致的低串扰错误，以及用于减少垃圾邮件错误的快速重新冷却和读出能力。

使用当前技术，对光学和控制电子设备的改进可以将这些数字至少提高一个数量级。

图｜Qutrit 纠缠门 (a) 控制增量门 Cinc 的实验测量真值表。(b) qutrit Hilbert 空间中的 Cex 门和初始状态分别为 |0 + 1>|0>/sqrt和 |0 + 2>|0>/sqrt的 qutrit Cinc 门的保真度衰减。数据点对应于每个门长度处的总体和一致性的平均值，并且线是指数拟合，从中提取平均保真度值。数据点的数量不同是由于 Cex 门的周期性为 2，而 Cinc 门的周期性为 3。

更大的磁场将有利于各种 Qudit 跃迁之间更大的光谱分离，这将是处理更长的 Qudit 串和相关的拥挤模式光谱所必需的。

从概念上讲，利用Qudit 量子处理器的一个关键挑战仍然是将量子算法编译到 Qudit 框架中。

为了促进这样的编译，用一套真正的 Qudit 纠缠门来补充提出的嵌入式两级纠缠门将非常有益。

04.硬件和软件的自然方法

因斯布鲁克的物理学家开发的Qudit量子计算机，可以通过使用 Qudits 计算来充分利用这些原子的潜力。

与经典案例相反，使用更多状态并不会降低计算机的可靠性。

Thomas Monz 表示，量子系统自然有两个以上的状态，我们证明了我们同样可以很好地控制它们。

另一方面，许多需要量子计算机的任务，例如物理、化学或材料科学中的问题，也很自然地用 Qudit 语言表达。

通用 Qudit 量子处理器只需要很少的经典控制能力开销，并且可以集成到现有实验中。

这将特别有利于根据更高自旋模型自然制定的应用程序，例如量子化学和晶格规范理论的量子模拟。

Martin Ringbauer 表示，“不仅仅是对于量子计算机，对于它们的应用程序来说，使用超过 0 和 1 状态的方式工作是非常自然的，这使我们能够释放量子系统的真正潜力”。

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