Учёные из Российского квантового центра, НИТУ МИСИС, Математического института имени В. А. Стеклова РАН и МФТИ представили теорию, показывающую возможность создания многоуровневого квантового процессора на базе ультрахолодных полярных молекул. Работа опубликована в журнале Physical Review Research.

В отличие от классических компьютеров, работающих с битами — нулями и единицами, квантовые системы используют кубиты, способные одновременно находиться в двух состояниях. Однако на этом этапе исследователи предлагают перейти к кудитам — многоуровневым системам с тремя, четырьмя, пятью и более состояниями. Такой подход позволяет плотнее кодировать информацию и эффективнее выполнять отдельные квантовые алгоритмы.

В качестве платформы физики выбрали ультрахолодные полярные молекулы — системы с несимметричным распределением электрического заряда. Благодаря этому молекулы способны взаимодействовать друг с другом, что позволяет выполнять квантовые операции.

Кроме того, авторы исследования предложили использовать вращательные уровни молекул как рабочие состояния. В зависимости от выбранной схемы кодирования одна молекула может функционировать и как обычный кубит, и как кудит с несколькими состояниями. Для управления последними учёные предлагают применять оптические пинцеты — сфокусированные лазерные лучи, позволяющие сближать молекулы и тем самым усиливать их взаимодействие.

Модель уже протестировали на молекулах фторида стронция и NaCs. Расчёты показали, что реализовать универсальный набор операций можно в случае систем с двумя-пятью состояниями. При этом время выполнения операций оказалось значительно меньше времени когерентности — периода, в течение которого сохраняется квантовое состояние.

По словам ключевого автора исследования Солеха Муминова, работа стала первой демонстрацией того, что полярные молекулы могут стать не только носителями квантовой информации, но и основой масштабируемого кудитного процессора.