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在计算领域，我们通常认为信息是以1 和 0 的形式存储的——也称为二进制编码。然而，在我们的日常生活中，我们使用十位数字来表示所有可能的数字。例如，在二进制中，数字 9 写为 1001，需要三个额外的数字来表示同一事物。

今天的量子计算机就是从这种二进制范式发展而来的，但事实上，编码其量子位 (qubit) 的物理系统通常也有可能编码量子数字 (qudits)，正如 Martin Ringbauer 领导的团队最近在因斯布鲁克大学实验物理系。根据苏黎世联邦理工学院的实验物理学家 Pavel Hrmo 的说法：“基于 qudit 的量子计算机面临的挑战一直是在高维信息载体之间有效地产生纠缠。”

在《自然通讯》杂志上发表的一项研究中，因斯布鲁克大学的团队现在报告说，两个量子如何以前所未有的性能相互完全纠缠，为更高效、更强大的量子计算机铺平道路。

像量子计算机一样思考

数字 9 的例子表明，虽然人类能够一步计算出 9 x 9 = 81，但经典计算机(或计算器)必须先计算 1001 x 1001 并在幕后执行许多步的二进制乘法才能计算出来能够在屏幕上显示81。传统上，我们可以负担得起这样做，但在计算本质上对噪声和外部干扰敏感的量子世界中，我们需要减少充分利用可用量子计算机所需的操作数量。

量子纠缠对量子计算机上的任何计算都至关重要。纠缠是独特的量子特征之一，它支持量子在某些任务中大大超越经典计算机的潜力。然而，利用这种潜力需要产生强大而准确的高维纠缠。

量子系统的自然语言

因斯布鲁克大学的研究人员现在能够完全纠缠两个 qudits，每个 qudits 编码最多 5 个状态的单个钙离子。这为理论物理学家和实验物理学家提供了超越二进制信息处理的新工具，这可能会导致更快、更强大的量子计算机。

Martin Ringbauer 解释说：“量子系统有许多可用状态等待用于量子计算，而不是限制它们与量子比特一起工作。” 当今许多最具挑战性的问题，涉及化学、物理或优化等不同领域，都可以从这种更自然的量子计算语言中受益。

这项研究得到了奥地利科学基金 FWF、奥地利研究促进机构 FFG、欧洲研究委员会 ERC、欧盟和奥地利蒂罗尔工业联合会等机构的资助。