量子计算机正在迅速扩展。制造商预计到2024年将突破千比特的壁垒，并计划在未来十年内达到一百万比特。尽管有这些进展，但该技术面临着一个巨大的问题。为了处理现实世界的应用，每个比特在其脆弱状态崩溃之前需要能够通过多次逻辑操作。然而，当今技术中的比特太不稳定，无法在没有广泛的错误修正的情况下实现这一点。
目前使用的错误校正技术使用20个或更多物理比特来创建虚拟比特，以提供足够的稳定性。即使如此，它们只能执行简单操作，错误累积得太多。尽管主流计划是试图找到方法来更好地稳定比特，从而为错误校正提供更多余地，但还有另一种可能性。那就是使用一种可以利用固有量子效应来构建更高度容错性的不同技术。
未来的计算机不再依赖于比特反映单个基本粒子状态的变化，而是依赖于操纵准粒子。这些准粒子的运动和相互作用看起来与点状基本粒子非常相似，但它们是由高度纠缠的基本粒子组合形成的。一些类型的准粒子，目前仅存在于理论中，可能在两个方面提供显着优势。一方面，纠缠的性质应该作为对抗噪声的防御。
在加州理工学院（校内）的理论物理副教授Jason Alicea所使用的类比中，准粒子中的纠缠量子态的行为就像一群鸟——即使个体鸟类通常会偏离整体航道，整群鸟类看起来仍然是整体移动的。
另一个优势是，它们可以更容易地构建硬件：具有适当类型的准粒子，它们之间的相互作用模拟了用于通用量子计算机的所有逻辑门的操作。这与今天的架构形成鲜明对比，今天的架构不能直接实现通用计算所需的门，而是使用变通方法来模拟其中某些门的行为。
符合条件的准粒子是拥有两个而不是三个维度运动的任子，这一看似简单的限制导致了比观察到的基本粒子更复杂的它们之间的相互作用。在非阿贝尔任子的情况下，这些相互作用需要建模为矩阵乘法，类似于量子计算中作为矩阵运算模拟的门。一系列计算可以通过连续的“编织”操作来执行。这些是在二维空间中将它们互相移动的不同任子之间的交换。
不幸的是，适合该条件的准粒子仍然是理论性的，即使对其出现的声称也存在争议。在一个案例中，荷兰的一个科学家小组在2018年声称在超导线中发现了合适的准粒子，但是当实验并未显示出非阿贝尔行为的确凿证据时，他们撤回了他们的论文。所有这些实验中的一个大问题是确定行为中的细微变化是由于准粒子的出现，还是由于其他模仿所需特性的物理性质。
尽管尚未以普遍满意的方式展示能够支持非阿贝尔行为的材料，但通过改进描述准粒子行为的电磁场理论的结合，再加上当今嘈杂量子计算机容量的迅速增加，现在可以探索这些状态的行为方式。
谷歌的量子计算组与康奈尔大学的理论物理学家合作，在基于超导体的量子计算机上展示了一类准粒子预期的交换行为。选择这种类型的硬件是因为它能够将运动限制在一个二维晶格中，虽然它并不直接模拟物理准粒子的量子纠缠。在中国的浙江大学和合肥研究院，一个团队也使用了类似的方法，在其自己的模拟中，电荷和磁荷之间的准粒子交换上应用了一系列简单的逻辑门。
到目前为止，实验还未在能够支持完整的量子门集合的准粒子类型上取得成功。
在Quantinuum公司的H2囚禁离子机器上进行的第一批实验之一中，Quantinuum科学家与哈佛大学和加州理工学院的研究人员合作，利用这种类型的量子计算机将任意比特与任何其他比特纠缠起来，以在具体物理实现中更进一步地复制准粒子的基态。然而，在量子计算硬件上实现中缺少的一个理想元素是应用于操作准粒子的自然能隙，该能隙应该起到抑制错误的作用。Alicea表示：“对于需要高保真度操作的应用来说，量子错误修正变得至关重要。”
对于哈佛大学量子计划的博士后研究员鲁本·弗雷森来说，基于物质的任质子和他及合作者在Quantinuum硬件上创造的实现可以看作是将天然冰块与“抓住原子并以恰当方式排列它们”的方法形成的人工冰块进行比较的类比。一旦这些人工版本中固定原子的字段被释放，冰块就会简单消散。他说，未来的实验将会指出，在重复测量和修正的条件下，如何使任质子状态维持足够长的时间以执行更广泛的计算操作。
弗雷森补充道：“我认为这些设计的量子系统本身就是非常有趣的系统。它们不仅是获得传统固态方法更好理解的跳板。”
这些实验的一个重要成分是，它使得探索可能在新型材料中实现的许多不同形式的任质子成为可能。到目前为止，实验尚未对能够支持完整量子门集合的任质子类型进行工作。迄今为止，弗雷森和同事们的研究表明，作为通用量子计算的支持者，斐波那契任质子在Quantinuum等机器上创建所需的资源较多。而这些资源随着问题规模的增大而增加，这可能导致在规模更大的量子计算机中无法实现。
目前还不清楚斐波那契任质子状态所声称提供的额外计算能力是否与准备它们的困难程度有关。弗雷森说：“我确实认为这是一个有趣的邀请，供社区概念性地探索为什么准备斐波那契任质子更难。斐波那契任质子更具计算能力可能并非偶然；即使在量子领域，也不是免费午餐。”
然而，研究人员开始探索混合系统是否可以克服准备这些概念上更强大的量子状态的困难。更简单的任质子构造可能已经足够。Alicea说：“某些类型的拓扑序可以提供通用门集。”通过将简单的非阿贝尔任质子与用于传统量子错误修复的类型的测量相结合。
英国利兹大学理论物理学教授Jiannis Pachos表示，任质子式方法在错误修正中的可能角色不应被低估。Pachos表示：“拓扑量子纠错码具有较高的门限和良好的几何解释。它们可能是我们所能拥有的最好的纠错码。”
拓扑错误纠正码“可能是我们所能拥有的最好的纠错码。”
康奈尔大学物理学教授Eun-Ah Kim表示，在当今的超级计算机硬件上使用类似任质子行为可能会提供更好的设计纠错比特的方式。她说，到目前为止，在超导体机器上尝试的纠错需要“晶格外科手术”。她团队与谷歌合作进行的最近一项任质子实验所支撑的编码方案使得可以在没有如此高度的逻辑操作的情况下编码多个逻辑拓扑比特。
对于从事量子系统研究的研究人员来说，使用各种基于超导体、离子捕获、光子学和其他几种能够模拟任质子行为某些方面的技术来继续进行相关工作是很可能的。弗雷森说：“它们各自为我们带来了优势。”
Kim的目标是利用超导体平台更好地理解各种编码方案的特性，这些方案可以支持量子计算所需的逻辑门。“这样一来，我们就可以有意义地将我们的方法与晶格外科手术进行对比，”她说。
Pachos说，在他与爱丁堡大学团队的空间光模拟器项目中，重点是量子系统演化的方式，而不是模拟完整的任质子状态。他说：“我意识到我们无需创建状态就能进行操作。”
最初在超导体平台上进行实验的尝试需要太多比特才能实现实用。Pachos表示：“我们与光线光学的团队取得联系，并发现他们能以更高的保真度完成。”
物理学和量子计算领域中不同团队的合作使这项工作得以迅速推进。Pachos补充道：“社交因素在这里非常重要。”
目前还不清楚任质子工作最终将如何应用。Alecia解释道：“在理想的情况下，我们将在可扩展的固态设备中实现足够清洁和可控的非阿贝尔平台，这将消除或至少极大减轻量子错误修复的需求。”
虽然物理上的任质子可能仍然难以实现，但利用这些理论为量子硬件开发人员预计在超过1000比特的里程碑上进行更好的错误修复的选择仍然存在。进一步的实验证明，与现有技术相比，模拟任质子进行纠错是否是在嘈杂的量子硬件中避免错误的更有效手段。然而，即使类似任质子的错误修复效果不如预期，物理学家们可能仍然会继续将量子计算硬件应用于这些和其他准粒子的研究中。
Alicea得出结论，无论以何种方式实现这些非阿贝尔态，“都为探索新型紧密量子现象提供了极其令人兴奋的机会。”
进一步阅读
Andersen, T.I.等。 超导处理器中图顶点的非阿贝尔编织。自然618，(2023)，264–269。
Xu, S.等。 用68个超导量子比特数字模拟投射的非阿贝尔任意子。中国物理快报40，(2023)，060301。
Iqbal, M.等。 在离子陷阱处理器上创建非阿贝尔拓扑序和任意子。(2023); ArXiv: 2305.03766。
Goel, S.等。 通过光学模拟揭示D(S3)任意子的非阿贝尔统计。(2023); ArXiv: 2304.05286
作者
Chris Edwards是一位位于英国萨里的作家，报道有关电子、信息技术和合成生物的新闻。
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