量子技術(shù)重大突破
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直覺告訴我們，應(yīng)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(yù)測會打破這一規(guī)則的粒子，因其迷人的特性和通過使運(yùn)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(lǐng)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(yù)印本服務(wù)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(dǎo)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(guān)于該主題的研究，補(bǔ)充了谷歌的初步發(fā)現(xiàn)。這些新結(jié)果為拓?fù)淞孔佑嬎汩_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(shí)現(xiàn)的，就像編織中的繩子一樣。
谷歌量子AI團(tuán)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(shí)突出了我們現(xiàn)在可以使用量子計算機(jī)訪問的令人興奮的現(xiàn)象類型?！?/p>
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(xué)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(xué)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(rèn)為是時空中的一條連續(xù)線：粒子所謂的“世界線”。當(dāng)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?fù)淞孔佑嬎銠C(jī)的基本操作。
該團(tuán)隊首先準(zhǔn)備了處于糾纏量子態(tài)的超導(dǎo)量子比特，這種狀態(tài)很好地表示為棋盤格，這是谷歌團(tuán)隊熟悉的配置，他們最近使用這種設(shè)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(guān)但不太有用的稱為阿貝爾任意子的粒子。
為了實(shí)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?。這些多邊形中的特定頂點(diǎn)承載著非阿貝爾任意子。使用由康奈爾大學(xué)的Eun-Ah Kim和前博士后Yuri Lensky開發(fā)的協(xié)議，該團(tuán)隊可以通過繼續(xù)使晶格變形并移動非阿貝爾頂點(diǎn)的位置來移動非阿貝爾任意子。
在一系列實(shí)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(tuán)隊觀察到了非阿貝爾任意子的標(biāo)志：當(dāng)其中兩個交換時，會導(dǎo)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(tuán)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(xué)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(shè)計本質(zhì)上承載這些任意子的材料系統(tǒng)，但谷歌團(tuán)隊現(xiàn)在已經(jīng)表明，可以在他們的超導(dǎo)處理器上實(shí)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(bǔ)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?fù)淞孔佑嬎愕年P(guān)鍵，將是一件非常有趣的事情?！?/p>