构建突破二进制的量子处理器

奥地利因斯布鲁克大学的Thomas Monz等人利用40Ca+离子阱链的天然多能级结构演示了一个通用的qudit（quantum digit）离子阱量子处理器，具有接近量子比特（qubit）处理器的性能，将有望对高维量子系统进行本地模拟，并更有效地实现部分量子算法。该研究成果于7月21日发表在《自然•物理学》杂志上。几十年来二进制信息处理一直作为经典信息学领域的基本范式。量子信息处理（QIP）同样也在此范式上成功地建立了丰硕成果。量子比特（qubit），就像它们的经典对应物一样，是利用二能级系统编码|0⟩和|1⟩。然而，底层物理系统几乎总是由更高维的希尔伯特空间组成。人们往往需要刻意地对物理系统加以限制以适应二进制范式，因此脱离二进制范式而利用物理系统的多级结构编码的qudit有望为QIP提供一个强大的资源。与量子比特相比，qudit具有非平凡相干性，可用于量子传感，同时也具有更丰富的纠缠结构，这是量子比特无法复制的。尽管两能级叠加态足以进行相位估计和通用量子计算，但涉及多个相位偏移的分辨或多参数信号的估计的任务必然需要多级系统。另一方面，多能级系统的量子纠缠资源不仅能够增加我们对量子