بخشی از کامپیوتر کوانتومی در دانشگاه اینسبروک که محققان با استفاده از کوتریت‌ها و کوکوینت‌ها شبیه‌سازی‌هایی را روی آن انجام دادند. اعتبار: C. Lackner/دانشگاه اینسبروک
بخشی از کامپیوتر کوانتومی در دانشگاه اینسبروک که محققان با استفاده از کوتریت‌ها و کوکوینت‌ها شبیه‌سازی‌هایی را روی آن انجام دادند. اعتبار: C. Lackner/دانشگاه اینسبروک

با «کودیت‌ها» آشنا شوید: پسرعموهای پیچیده‌تر کیوبیت‌ها که محاسبات کوانتومی را تقویت می‌کنند

کار با موجودیت‌های چندبعدی می‌تواند محاسبات را کارآمدتر کرده و خطاها را کاهش دهد.

محاسبات کوانتومی تاکنون تقریباً همیشه شامل محاسبه با کیوبیت‌ها (qubits) بوده است – اشیاء کوانتومی که می‌توانند مقدار '۰' یا '۱' را بگیرند، مانند بیت‌های کامپیوتر معمولی، اما همچنین می‌توانند در طیفی از ترکیب‌های ۰ و ۱ باشند. اکنون محققان در حال تولید اولین کاربردهای «کودیت‌ها» (qudits) هستند: واحدهای اطلاعاتی که ترکیب‌هایی از سه یا چند حالت همزمان را ارائه می‌دهند.

در مقاله‌ای که در ۲۵ مارس در Nature Physics۱ منتشر شد، فیزیکدانان توضیح می‌دهند که چگونه از «کوتریت‌ها» (qutrits) و «کوکوینت‌ها» (ququints) - به ترتیب کودیت‌هایی با سه و پنج حالت - برای شبیه‌سازی نحوه تعامل ذرات کوانتومی پرانرژی از طریق یک میدان الکترومغناطیسی استفاده کردند. این کار به دنبال نتیجه‌ای است که در سپتامبر در Physical Review Letters (PRL)۲ منتشر شد و رفتار میدان کوانتومی دیگری، یعنی میدان نیروی هسته‌ای قوی، را با استفاده از کوتریت‌ها بازتولید کرد.

چنین شبیه‌سازی‌هایی از میدان‌های کوانتومی به عنوان یکی از امیدوارکننده‌ترین کاربردهای کامپیوترهای کوانتومی تلقی می‌شوند، زیرا این ماشین‌ها می‌توانند پدیده‌هایی را در برخورددهنده‌های ذرات یا واکنش‌های شیمیایی پیش‌بینی کنند که فراتر از توانایی محاسبه کامپیوترهای معمولی است. کریستین موشیک، فیزیکدان نظری، یکی از نویسندگان مقاله Nature Physics که همچنین در سال ۲۰۱۶۳ به همراه همکارانش در دانشگاه اینسبروک، اتریش، پیشگام چنین شبیه‌سازی‌هایی با کیوبیت‌ها بود، می‌گوید کودیت‌ها به طور طبیعی برای این کار مناسب هستند. موشیک که اکنون در دانشگاه واترلو، کانادا است، می‌گوید: «اگر می‌توانستم به گذشته برگردم و با خودم صحبت کنم، به او می‌گفتم: چرا وقت خود را با کیوبیت‌ها تلف می‌کنی؟»

مارتین رینگ‌باوئر، فیزیکدان تجربی در دانشگاه اینسبروک و نویسنده اصلی مقاله، می‌گوید: «این رویکرد کودیت راه‌حلی برای همه چیز نیست، اما زمانی که برای مسئله مناسب باشد به شما کمک می‌کند.»

به طور کلی‌تر، کودیت‌ها می‌توانند به کارآمدتر کردن و کاهش خطای محاسبات در یک کامپیوتر کوانتومی کمک کنند، حداقل روی کاغذ. با کودیت‌ها، هر واحد محاسباتی که قبلاً یک کیوبیت را رمزگذاری می‌کرد - مانند یک یون به دام افتاده یا یک فوتون - می‌تواند ناگهان اطلاعات بیشتری را در خود جای دهد و به ماشین‌ها کمک کند تا سریع‌تر مقیاس‌پذیر شوند. اما این تاکتیک نسبت به رویکردهای مبتنی بر کیوبیت کمتر توسعه یافته است و جزئیات ممکن است چالش‌برانگیز باشد. بنجامین براک، فیزیکدان تجربی در دانشگاه ییل در نیوهیون، کانکتیکات، می‌گوید: «کار با کودیت‌ها همچنین پیچیده‌تر است.»

در اکثر انواع کامپیوترهای کوانتومی، کیوبیت‌هایی که محققان استفاده می‌کنند، دو حالت ممکن از سیستمی هستند که به طور طبیعی حالات بسیار بیشتری دارد. بنابراین چنین سیستمی می‌تواند میزبان کودیت‌ها نیز باشد. ماشیل بلوک، فیزیکدانی در دانشگاه روچستر، نیویورک، می‌گوید: «پردازنده‌های کیوبیت موجود مانند پردازنده‌های IBM و Google در حال حاضر می‌توانند به عنوان کوتریت عمل کنند و برای کار به عنوان کودیت‌های با ابعاد بالا به اصلاحات جزئی نیاز دارند.» (بلوک و تیمش آزمایش‌هایی را در آزمایشگاه خود انجام داده‌اند که در آن ابررساناها کودیت‌هایی تا ۱۲ سطح را رمزگذاری کرده‌اند۴.)

برای شبیه‌سازی‌های میدان کوانتومی خود، نویسندگان مقاله PRL کوتریت‌ها را روی یک تراشه کوانتومی ابررسانا که IBM در اختیار محققان قرار می‌دهد و معمولاً به عنوان یک ماشین کیوبیت استفاده می‌شود، رمزگذاری کردند. رینگ‌باوئر، موشیک و همکارانشان از حالات برانگیخته یون‌های کلسیم برای نمایش کوکوینت‌های پنج سطحی خود استفاده کردند. موشیک می‌گوید، یک کوکوینت راهی طبیعی برای نمایش میدانی است که می‌تواند در حالت کمترین انرژی (با مقدار ۰) باشد یا مقادیر مثبت یا منفی از ۲- تا ۲+ را در هر نقطه از فضا داشته باشد.