物理学家向容错量子计算迈出一步

D3Vs基本融合规则的演示。 图片来源：arXiv（2022）。DOI： 10.48550/arxiv.2210.10255

一些经典计算机的内存中内置了基于位的纠错功能;量子计算机要想在未来可行，也需要基于更敏感的量子比特的纠错机制。

康奈尔大学的研究人员最近向容错量子计算迈出了一步：他们构建了一个简单的模型，其中包含称为非阿贝尔任意子的奇异粒子，紧凑而实用，足以在现代量子硬件上运行。实现这些只能存在于二维中的粒子是在现实世界中实现它的举措。

由于一些创造性思维，康奈尔大学前贝特/威尔金斯/卡夫利研究所（KIC）艺术与科学学院（A&S）物理学博士后研究员Yuri Lensky与物理学教授Eun-Ah Kim合作，提出了一个简单的“配方”，可用于对非阿贝尔任意子进行鲁棒计算， 包括在当今可用的设备上实验执行效果的具体说明。

他们的论文“量子比特稳定器代码中移动非阿贝尔安永子的图规范理论”是与谷歌量子人工智能的理论家合作撰写的，发表在《物理学年鉴》上。谷歌量子AI研究人员与Lensky和Kim一起，通过一个成功的实验证明了这一理论，正如研究共享平台arXiv上的预印出版物“超导处理器上的非阿贝尔交换统计观察”所报道的那样。

“从量子凝聚态物理学的角度来看，这种二维状态都很有趣 - 它具有一些对2D物理学非常特殊的新特性 - 以及从量子信息的角度来看，”Lensky说。“这是真正的量子，但它对量子计算也有潜在的用处。它通过非本地存储量子信息来保护量子信息位，我们的协议允许我们使用这些位进行计算。

Kim解释了通过举出两个相同的一磅杠铃来激活非阿贝尔安永斯的原理。当她交叉双臂时，相同的杠铃会改变位置，但作为经典物理学定义的物体，它们的状态保持不变。它们是可互换的。

如果这些杠铃代表两个相同的量子粒子，那么在某些2D系统中，它们在时空中的轨迹可以产生可测量的变化记录（想象一下交叉的手臂）。这种交换过程被称为辫子，以粒子轨迹的形状命名。

“量子力学上，当你在另一个粒子周围移动一个粒子时，”金说，保持一个重量静止，另一个围绕它移动一个圆圈，“波函数，这是描述量子力学运动的薛定谔方程的解，可以乘以相位因子，或者它可以变成非常不同的东西。

当波函数获得只能通过干涉测量观察到的全局符号时，波的干涉测量，称为阿贝尔任意子。当波函数变得可测量的不同时，它是一个非阿贝尔的任意子，她说。

非阿贝尔任意子可以用来创建不是在单个粒子上定义的量子比特，而是在一对相同的量子粒子上定义的量子比特：非局部编码。

“如果我将这些粒子之间共享的量子比特置于零状态并将它们分开，那么无论这些任意子之一局部发生什么，零状态都将保持不变。设置为零的量子比特不会腐败，“金说。“非阿贝尔任意子可以用于受保护量子比特的平台。

但是，虽然物理学家多年来一直在对这些奇异粒子进行理论化——阿列克谢·基塔耶夫（Alexei Kitaev）提出在2001年左右通过编织非阿贝尔任意子来对受保护的量子存储器进行操作，但伦斯基说——但它们以前从未在物理系统中被观察到过。

当谷歌量子人工智能开发量子处理器平台功能以实现物理系统中阿贝尔任意子的表面代码和编织时，Lensky说，“这是我们寻找一种方法来尽快实现非阿贝尔任意子物理学的灵感。

“我们知道他们有工作成分，但他们没有食谱，”金说。“我们想出了如何移动这些非阿贝尔的任意子，然后我们告诉实验者该怎么做。这是可能的，因为尤里和我以一种灵活、创造性和开放的方式思考。

过去的理论研究确定了非阿贝尔性质，但在如何移动它们方面存在不足，这是一个必要的步骤。Lensky和Kim的一个关键见解是放弃网格的规律性，并以几乎手绘的方式排列量子比特，但有强大的数学支持。

“在这种简单的几何见解之后，使用规范理论，我们能够提出拍摄这张照片并以强大而有效的方式在芯片上实现它的协议，”Kim说。“有了这个10量子比特的系统，我们能够编码多个非阿贝尔任意子，从而编码多个携带逻辑信息的量子比特，以及实验人员每一步都需要做的精确配方。

“虽然理论和实验的重点只是在现实世界中实现非阿贝尔任意子，但这也可以被视为通过编织实现计算的第一步，”Lensky说。

更多信息：Yuri D. Lensky 等人，量子比特稳定器代码中移动非阿贝尔任意子的图规范理论，《物理学年鉴》（2023 年）。DOI： 10.1016/j.aop.2023.169286

Trond I. Andersen 等人，超导处理器非阿贝尔交换统计量的观察，arXiv （2022）。DOI： 10.48550/arxiv.2210.10255