几十年来，二进制是计算机进行计算的基础，但对于量子计算机，二进制系统却阻碍了其发挥真正的潜力。近日，来自奥地利因斯布鲁克大学的一个科学家团队实现了一种新型的量子计算机，它成功突破了二进制的计算模式，而使用所谓的「量子数字」执行计算，从而以更少的量子粒子释放更多的计算能力。
研究人员开发了一种量子计算机，可以通过使用量子位进行计算，充分利用钙原子的潜力。研究表明，与经典计算不同，使用更多的量子态不会降低计算机的可靠性。
我们都知道，计算机使用0和1——也就是二进制信息——进行计算。这种模式非常成功，以至于计算机现在可以为从咖啡机到自动驾驶汽车的一切东西提供动力，我们很难想象没有它们的生活。
在这种成功的基础上，今天的量子计算机在设计时也考虑到了二进制信息处理。「然而，量子计算机的组成部分不仅仅是0和1，」在因斯布鲁克大学发表的一份声明中，实验物理学家 Martin Ringbauer 解释说。「将它们限制为二进制系统会阻止这些设备发挥其真正的潜力。」
量子物理学家 Martin Ringbauer 在实验室里。
由因斯布鲁克大学实验物理系的 Thomas Monz带领的团队现在成功开发了一种量子计算机，这种计算机可以使用所谓的「量子数字」(qudits)执行任意计算，从而以更少的量子粒子释放更多的计算能力。这项研究最近发表在《自然物理学》（<Nature Physics>）杂志上。
（量子计算机可以使用所谓的量子数字或量子比特执行任意计算。这可以用更少的量子粒子释放更多的计算能力。量子比特是量子计算机中的基本单位，在量子计算中与经典计算中的二进制数字相对应。量子比特由量子系统组成，如电子或光子。）
全新的量子系统
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剔的标准。
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七种状态进行计算。
在量子世界中，情况就大不相同了。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自然有八种不同的状态，其中通常只有两种用于存储信息。事实上，几乎所有现有的量子计算机都可以达到更多的量子状态，远远多于它们用于计算的状态。
在实验中，研究人员展示了一个通用 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。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。
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。
非常自然的应用
这种新的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。「量子系统自然不止有两种状态，我们证明了我们可以同样很好地控制它们。」Thomas Monz 说。
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 qudits 语言表达。对于今天的量子计算机来说，用量子位重写它们实在过于复杂。「不仅对于量子计算机，而且对于它的应用来说，使用超过 0 和 1 是非常自然的，这使我们能够释放量子系统的真正潜力。」Martin Ringbauer 解释说。
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