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纠缠的基本理解，还能为量子纠错（QEC）提供新的途径。人们有望利用qudits实现容错阈值更高的量子纠错码、更有效的魔法态制备和更直接的高维度量子系统模拟。因此qudits有希望主导下一代的量子信息硬件。然而目前在各种平台上对qudits的控制实验都仅限于设想或者概念演示。
Monz等人展示了一个建立在40Ca+离子阱硬件上的通用qudit量子处理器，并进行了单qudit门和双qudit纠缠门保真度的标定。每个40Ca+离子本身支持具有8个能级的 qudit，具有高度连通的 Hilbert 空间。作者所提出的方法只需要很少的经典控制能力开销，并且可以集成到现有实验中。他们特别强调了那些天然需要高维希尔伯特空间的应用，例如高自旋模型、量子化学和晶格规范理论的量子模拟。如果转换为量子比特，这些应用会导致大量开销，所需的量子比特数量巨大。另外两个qudit相互作用转化为多量子比特相互作用也具有不小挑战。从qudit硬件中获得最佳性能的两个关键挑战是：（1）由于需要大量的局部操作而产生的低串扰误差；（2）快速再冷却和读出能力以减少状态制备和测量误差，对光学和控制电子学的改进可以使这些指标在现有技术下至少提高一个数量级。最后，与量子比特系统相比，qudit中可访问的能级跃迁更多，这些跃迁和离子链的运动边带在能谱上非常拥挤。因此，在处理具有更多运动模式的更大的量子链时，最好有一个更大的磁场，以确保足够的能谱分离。这样的磁场很容易用永久磁铁实现，预计不会引起任何额外的复杂情况。
新系统未来的关键挑战是量子算法如何适用于qudit框架,这是一个需要进一步研究的关键领域。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41567-022-01658-0#MOESM1
报道链接：
https://www.uibk.ac.at/en/newsroom/2022/quantum-computer-works-with-more-than-zero-and-one/