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，二進制系統卻阻礙了其發揮真正的潛力。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「量子數字」執行計算，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會阻止這些設備發揮其真正的潛力。」

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帶領的團隊現在成功開發了一種量子計算機，這種計算機可以使用所謂的「量子數字」(qudits)執行任意計算，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字或量子比特執行任意計算。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字相對應。量子比特由量子系統組成，如電子或光子。）

全新的量子系統

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，科學家們已經使用其中七種狀態進行計算。

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，其中通常只有兩種用于存儲信息。事實上，幾乎所有現有的量子計算機都可以達到更多的量子狀態，遠遠多于它們用于計算的狀態。

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，使用更多狀態并不會降低計算機的可靠性。「量子系統自然不止有兩種狀態，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的真正潛力。」Martin Ringbauer 解釋說。