打破二进制：物理学家将两个量子数字完全纠缠在一起

在计算机领域，信息通常被认为是由1和0的二进制系统表示。然而，在我们的日常生活中，我们使用由10位数字组成的十进制系统来表示数字。例如，数字9在二进制中被表示为1001，需要四个数字，而不是十进制系统中的一个数字。

真空室今天的量子计算机是从二进制系统中产生的，但编码其量子比特(qubits)的物理系统也有能力编码量子数字(qudits)。这一点最近由因斯布鲁克大学实验物理系的马丁-林鲍尔领导的团队所证明。据苏黎世联邦理工学院的实验物理学家Pavel Hrmo称："基于量子比特的量子计算机所面临的挑战是在高维信息载体之间有效地创建纠缠。"

在2023年4月19日发表在《自然通讯》杂志上的一项研究中，因斯布鲁克大学的团队现在报告，两个量子比特如何能够以前所未有的性能相互完全纠缠，为更高效和强大的量子计算机铺平道路。

数字9的例子表明，虽然人类能够一步到位地计算出9×9=81，但经典计算机(或计算器)必须算1001×1001，在幕后进行许多步的二进制乘法，才能在屏幕上显示81。在经典的情况下，我们可以承受这样做，但在量子世界中，计算对噪声和外部干扰本质上是敏感的，我们需要减少所需的操作数量，以充分利用现有的量子计算机。

对于量子计算机上的任何计算来说，至关重要的是量子纠缠。纠缠是独特的量子特征之一，它支撑着量子在某些任务中大大超过经典计算机的潜力。然而，利用这种潜力需要产生稳健和准确的高维纠缠。

因斯布鲁克大学的研究人员现在能够完全纠缠两个量子，每个量子都被编码在单个钙离子的多达5个状态中。这给理论和实验物理学家提供了一个新的工具来超越二进制信息处理，这可能导致更快和更强大的量子计算机。

马丁-林鲍尔解释说："量子系统有许多可用的状态，等待着被用于量子计算，而不是限制他们与量子比特一起工作。当今许多最具挑战性的问题，在化学、物理学或优化等不同领域，都可以从量子计算这种更自然的语言中受益。"