新型量子電腦首次打破二進制，資訊儲存在鈣原子中

幾十年來，二進位是電腦進行運算的基礎，但對於量子計算機，二進位系統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，可以透過使用量子位元進行計算，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電腦的可靠性。

我們都知道，電腦使用0和1——也就是二進位資訊——進行計算。 這種模式非常成功，以至於電腦現在可以為從咖啡機到自動駕駛汽車的一切提供動力，我們很難想像沒有它們的生活。
在這種成功的基礎上，今天的量子電腦在設計時也考慮到了二進位資訊處理。 「然而，量子電腦的組成部分不僅僅是0和1，」在因斯布魯克大學發表的聲明中，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 在實驗室裡。

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》（）雜誌上。

（量子電腦可以使用所謂的量子數字或量子位元執行任意計算。這可以用更少的量子粒子釋放更多的計算能力。量子位元是量子電腦中的基本單位，在量子計算中與經典計算中的二進制數字相對應。量子位元由量子系統組成，如電子或光子。）

全新的量子系統

儘管以0 和1 儲存資訊並不是最有效的計算方式，但卻是最簡單的方式。簡單通常也意味著可靠且對錯誤具有魯棒性，因此二進位資訊已成為經典電腦無可挑剔的標準。

因斯布魯克量子電腦將資訊儲存在單一被捕獲的鈣原子中，每個鈣原子都有八種狀態，科學家已經使用其中七種狀態來計算。

在量子世界中，情況就大不相同了。例如，在因斯布魯克量子電腦中，資訊儲存在單一捕獲的鈣原子中。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於儲存資訊。事實上，幾乎所有現有的量子電腦都可以達到更多的量子狀態，遠遠超過它們用於計算的狀態。

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層次結構。實驗表明，每個 40Ca 離子本身就支持具有 8 個能階的 Qudit，具有高度連通的希爾伯特空間。

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40Ca 離子的能階圖。量子資訊以 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 的單一窄頻雷射存取。

非常自然的應用

這種新的量子電腦可以透過使用 qudits 計算來充分利用這些原子的潛力。與經典案例相反，使用更多狀態並不會降低電腦的可靠性。 「量子系統自然不只兩種狀態，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，許多需要量子電腦的任務，例如物理、化學或材料科學中的問題，也自然地用 qudits 語言表達。對於現今的量子電腦來說，用量子位元重寫它們實在過於複雜。 「不僅對於量子計算機，而且對於它的應用來說，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。

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