幾十年來，二進制是計算機進行計算的基礎，但對于量子計算機，二進制系統(tǒng)卻阻礙了其發(fā)揮真正的潛力。近日，來自奧地利因斯布魯克大學的一個科學家團隊實現(xiàn)了一種新型的量子計算機，它成功突破了二進制的計算模式，而使用所謂的「量子數(shù)字」執(zhí)行計算，從而以更少的量子粒子釋放更多的計算能力。

研究人員開發(fā)了一種量子計算機，可以通過使用量子位進行計算，充分利用鈣原子的潛力。研究表明，與經典計算不同，使用更多的量子態(tài)不會降低計算機的可靠性。

我們都知道，計算機使用0和1——也就是二進制信息——進行計算。這種模式非常成功，以至于計算機現(xiàn)在可以為從咖啡機到自動駕駛汽車的一切東西提供動力，我們很難想象沒有它們的生活。
在這種成功的基礎上，今天的量子計算機在設計時也考慮到了二進制信息處理。「然而，量子計算機的組成部分不僅僅是0和1，」在因斯布魯克大學發(fā)表的一份聲明中，實驗物理學家 Martin Ringbauer 解釋說。「將它們限制為二進制系統(tǒng)會阻止這些設備發(fā)揮其真正的潛力。」

量子物理學家 Martin Ringbauer 在實驗室里。

由因斯布魯克大學實驗物理系的 Thomas Monz帶領的團隊現(xiàn)在成功開發(fā)了一種量子計算機，這種計算機可以使用所謂的「量子數(shù)字」(qudits)執(zhí)行任意計算，從而以更少的量子粒子釋放更多的計算能力。這項研究最近發(fā)表在《自然物理學》（<Nature Physics>）雜志上。

（量子計算機可以使用所謂的量子數(shù)字或量子比特執(zhí)行任意計算。這可以用更少的量子粒子釋放更多的計算能力。量子比特是量子計算機中的基本單位，在量子計算中與經典計算中的二進制數(shù)字相對應。量子比特由量子系統(tǒng)組成，如電子或光子。）

全新的量子系統(tǒng)

盡管以 0 和 1 存儲信息并不是最有效的計算方式，但卻是最簡單的方式。簡單通常還意味著可靠且對錯誤具有魯棒性，因此二進制信息已成為經典計算機無可挑剔的標準。

因斯布魯克量子計算機將信息存儲在單個被捕獲的鈣原子中，每個鈣原子都有八種狀態(tài)，科學家們已經使用其中七種狀態(tài)進行計算。

在量子世界中，情況就大不相同了。例如，在因斯布魯克量子計算機中，信息存儲在單個捕獲的鈣原子中。這些原子中的每一個自然有八種不同的狀態(tài)，其中通常只有兩種用于存儲信息。事實上，幾乎所有現(xiàn)有的量子計算機都可以達到更多的量子狀態(tài)，遠遠多于它們用于計算的狀態(tài)。

在實驗中，研究人員展示了一個通用 Qudit 離子阱量子處理器 (TIQP)，它使用了 40Ca+ 離子捕獲鏈的原生多級結構。實驗表明，每個 40Ca+ 離子本身就支持具有 8 個能級的 Qudit，具有高度連通的希爾伯特空間。

40Ca+ 離子的能級圖。量子信息以 S1/2 和 D5/2 狀態(tài)編碼，其中 S 和 D 之間的每個躍遷都可以使用 729nm 的單個窄帶激光器訪問。

非常自然的應用

這種新的量子計算機可以通過使用 qudits 計算來充分利用這些原子的潛力。與經典案例相反，使用更多狀態(tài)并不會降低計算機的可靠性。「量子系統(tǒng)自然不止有兩種狀態(tài)，我們證明了我們可以同樣很好地控制它們。」Thomas Monz 說。

另一方面，許多需要量子計算機的任務，例如物理、化學或材料科學中的問題，也很自然地用 qudits 語言表達。對于今天的量子計算機來說，用量子位重寫它們實在過于復雜。「不僅對于量子計算機，而且對于它的應用來說，使用超過 0 和 1 是非常自然的，這使我們能夠釋放量子系統(tǒng)的真正潛力。」Martin Ringbauer 解釋說。