量子技術(shù)重大突破
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直覺(jué)告訴我們，應(yīng)該不可能看到兩個(gè)相同的物體是否來(lái)回交換，并且對(duì)于迄今為止觀察到的所有粒子來(lái)說(shuō)，情況都是如此。到目前為止。
非阿貝爾任意子，唯一被預(yù)測(cè)會(huì)打破這一規(guī)則的粒子，因其迷人的特性和通過(guò)使運(yùn)算對(duì)噪聲更具魯棒性來(lái)徹底改變量子計(jì)算的潛力而受到人們的追捧。微軟和其他公司在量子計(jì)算方面選擇了這種方法。但經(jīng)過(guò)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(shuō)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(lái)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(lái)執(zhí)行量子計(jì)算。5月初，量子計(jì)算公司Quantinuum發(fā)布了另一項(xiàng)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?jì)算開(kāi)辟了一條新途徑，其中的操作是通過(guò)將非阿貝爾任意子纏繞在一起來(lái)實(shí)現(xiàn)的，就像編織中的繩子一樣。
谷歌量子AI團(tuán)隊(duì)成員和手稿的第一作者Trond I. Andersen說(shuō)：“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(jì)算機(jī)訪問(wèn)的令人興奮的現(xiàn)象類(lèi)型。”
想象一下，你看到兩個(gè)相同的物體，然后被要求閉上眼睛。再次打開(kāi)它們，您會(huì)看到相同的兩個(gè)對(duì)象。您如何確定它們是否已被交換？直覺(jué)告訴我們，如果對(duì)象真的相同，則無(wú)法分辨。
量子力學(xué)支持這種直覺(jué)，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(dòng)，有時(shí)，我們的直覺(jué)可能會(huì)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(gè)何時(shí)被交換了。
非阿貝爾任意子的這種“記憶”可以被認(rèn)為是時(shí)空中的一條連續(xù)線：粒子所謂的“世界線”。當(dāng)兩個(gè)非阿貝爾任何子交換時(shí)，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?jì)算機(jī)的基本操作。
該團(tuán)隊(duì)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(pán)格，這是谷歌團(tuán)隊(duì)熟悉的配置，他們最近使用這種設(shè)置展示了量子糾錯(cuò)的一個(gè)里程碑。在棋盤(pán)排列中，可以出現(xiàn)相關(guān)但不太有用的稱(chēng)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)槠嫘喂譅畹亩噙呅巍＿@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(kāi)發(fā)的協(xié)議，該團(tuán)隊(duì)可以通過(guò)繼續(xù)使晶格變形并移動(dòng)非阿貝爾頂點(diǎn)的位置來(lái)移動(dòng)非阿貝爾任意子。
在一系列實(shí)驗(yàn)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(lèi)型的粒子相互纏繞在一起會(huì)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(shí)從一種類(lèi)型轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N類(lèi)型。最重要的是，該團(tuán)隊(duì)觀察到了非阿貝爾任意子的標(biāo)志：當(dāng)其中兩個(gè)交換時(shí)，會(huì)導(dǎo)致其系統(tǒng)的量子態(tài)發(fā)生可測(cè)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(duì)展示了如何在量子計(jì)算中使用非阿貝爾任意子的編織。通過(guò)將幾個(gè)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(chēng)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(jì)算工作選擇的方法的核心。雖然他們正在嘗試設(shè)計(jì)本質(zhì)上承載這些任意子的材料系統(tǒng)，但谷歌團(tuán)隊(duì)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(lèi)型的物理。
本周，量子計(jì)算公司Quantinuum發(fā)布了一項(xiàng)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(jì)算小組也在觀察非阿貝爾編織。他說(shuō)，“看看非阿貝爾任意子在未來(lái)如何用于量子計(jì)算，以及它們的奇特行為是否能成為容錯(cuò)拓?fù)淞孔佑?jì)算的關(guān)鍵，將是一件非常有趣的事情。”