量子技術(shù)重大突破

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研究人員首次觀察到編織非阿貝爾任意子的奇怪效果

直覺告訴我們，應該不可能看到兩個相同的物體是否來回交換，并且對于迄今為止觀察到的所有粒子來說，情況都是如此。到目前為止。

非阿貝爾任意子，唯一被預測會打破這一規(guī)則的粒子，因其迷人的特性和通過使運算對噪聲更具魯棒性來徹底改變量子計算的潛力而受到人們的追捧。微軟和其他公司在量子計算方面選擇了這種方法。但經(jīng)過該領域研究人員幾十年的努力，觀察非阿貝爾任意子及其奇怪的行為至少可以說是具有挑戰(zhàn)性的。

在去年10月發(fā)布在預印本服務器Arxiv.org上并于5月11日發(fā)表在《自然》雜志上的一篇論文中，谷歌量子AI的研究人員宣布他們已經(jīng)使用他們的超導量子處理器之一來觀察非阿貝爾任意子的奇特行為。他們還展示了如何使用這種現(xiàn)象來執(zhí)行量子計算。5月初，量子計算公司Quantinuum發(fā)布了另一項關于該主題的研究，補充了谷歌的初步發(fā)現(xiàn)。這些新結(jié)果為拓撲量子計算開辟了一條新途徑，其中的操作是通過將非阿貝爾任意子纏繞在一起來實現(xiàn)的，就像編織中的繩子一樣。

谷歌量子AI團隊成員和手稿的第一作者Trond I. Andersen說：“首次觀察到非阿貝爾任意子的奇異行為確實突出了我們現(xiàn)在可以使用量子計算機訪問的令人興奮的現(xiàn)象類型。”

想象一下，你看到兩個相同的物體，然后被要求閉上眼睛。再次打開它們，您會看到相同的兩個對象。您如何確定它們是否已被交換？直覺告訴我們，如果對象真的相同，則無法分辨。

量子力學支持這種直覺，但僅限于我們熟悉的三維世界。如果相同的物體被限制只能在二維平面內(nèi)移動，有時，我們的直覺可能會失敗，量子力學允許一些奇怪的事情發(fā)生：非阿貝爾任意子保留著一種記憶，盡管它們完全相同，但可以分辨出它們中的兩個何時被交換了。

非阿貝爾任意子的這種“記憶”可以被認為是時空中的一條連續(xù)線：粒子所謂的“世界線”。當兩個非阿貝爾任何子交換時，它們的世界線相互纏繞。以正確的方式包裹它們，由此產(chǎn)生的結(jié)和辮子形成拓撲量子計算機的基本操作。

該團隊首先準備了處于糾纏量子態(tài)的超導量子比特，這種狀態(tài)很好地表示為棋盤格，這是谷歌團隊熟悉的配置，他們最近使用這種設置展示了量子糾錯的一個里程碑。在棋盤排列中，可以出現(xiàn)相關但不太有用的稱為阿貝爾任意子的粒子。

為了實現(xiàn)非阿貝爾任意子，研究人員拉伸并擠壓了他們量子比特的量子態(tài)，將方格圖案轉(zhuǎn)變?yōu)槠嫘喂譅畹亩噙呅巍＿@些多邊形中的特定頂點承載著非阿貝爾任意子。使用由康奈爾大學的Eun-Ah Kim和前博士后Yuri Lensky開發(fā)的協(xié)議，該團隊可以通過繼續(xù)使晶格變形并移動非阿貝爾頂點的位置來移動非阿貝爾任意子。

在一系列實驗中，谷歌的研究人員觀察了這些非阿貝爾任意子的行為，以及它們?nèi)绾闻c更普通的阿貝爾任意子相互作用。將兩種類型的粒子相互纏繞在一起會產(chǎn)生奇怪的現(xiàn)象，粒子神秘地消失、重新出現(xiàn)，并在它們相互纏繞并碰撞時從一種類型轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N類型。最重要的是，該團隊觀察到了非阿貝爾任意子的標志：當其中兩個交換時，會導致其系統(tǒng)的量子態(tài)發(fā)生可測量的變化，這是一種以前從未觀察到的驚人現(xiàn)象。

最后，該團隊展示了如何在量子計算中使用非阿貝爾任意子的編織。通過將幾個非阿貝爾任意子編織在一起，他們能夠創(chuàng)建一種眾所周知的量子糾纏態(tài)，稱為
Greenberger-Horne-Zeilinger態(tài)。

非阿貝爾粒子的物理學也是微軟為其量子計算工作選擇的方法的核心。雖然他們正在嘗試設計本質(zhì)上承載這些任意子的材料系統(tǒng)，但谷歌團隊現(xiàn)在已經(jīng)表明，可以在他們的超導處理器上實現(xiàn)相同類型的物理。

本周，量子計算公司Quantinuum發(fā)布了一項令人印象深刻的補充研究，該研究還展示了非阿貝爾編織，在本例中使用的是俘獲離子量子處理器。Andersen很高興看到其他量子計算小組也在觀察非阿貝爾編織。他說，“看看非阿貝爾任意子在未來如何用于量子計算，以及它們的奇特行為是否能成為容錯拓撲量子計算的關鍵，將是一件非常有趣的事情。”