拓?fù)淞孔?，可能?023平凡的五月，載入物理學(xué)史冊。
隨著量子計算技術(shù)的不斷突破，科學(xué)家們正在尋找一種可靠的方法來保護(hù)量子比特免受環(huán)境噪聲和誤差的影響。在這方面，拓?fù)浔Ｗo(hù)和非阿貝爾編織被認(rèn)為是最有前途的方法之一。今日，Google量子團(tuán)隊宣稱首次使用其超導(dǎo)量子處理器來創(chuàng)建和編織非阿貝爾任意子，并通過編碼創(chuàng)建了三個邏輯量子比特的任意子糾纏態(tài)，其研究以《Non-Abelian braiding of graph vertices in a superconducting processor》為題發(fā)表于《自然》雜志。
一個是基于離子阱技術(shù)，一個是基于超導(dǎo)量子芯片，這一前一后的突破，可能為撲朔迷離的拓?fù)淞孔佑嬎阏嬲蜷_新世界。在傳統(tǒng)計算機(jī)中，信息以比特（0或1）的形式存儲和處理。但在量子計算機(jī)中，信息以量子比特（qubit）的形式存儲和處理。由于量子比特具有疊加（superposition）和糾纏（entanglement）等特性，因此它們非常容易受到環(huán)境噪聲和誤差的影響。全球的量子計算技術(shù)路線的玩家都在努力的解決這個問題，在一些分支領(lǐng)域，科學(xué)家們提出了拓?fù)浔Ｗo(hù)的概念。簡單來說，拓?fù)浔Ｗo(hù)是一種利用物理系統(tǒng)中不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來保護(hù)信息相干性和穩(wěn)定性的方法。例如，在拓?fù)淞孔佑嬎阒校梢詫?strong>非阿貝爾任意子【non-Abelian anyons】嵌入到拓?fù)淞孔哟a中，并利用糾錯機(jī)制來保護(hù)其相干性和穩(wěn)定性。這種方法可以有效地抵御環(huán)境噪聲和誤差的影響，從而實(shí)現(xiàn)可靠的量子計算。在理解非阿貝爾任意子之前，我們需要先了解一下拓?fù)湮飸B(tài)。拓?fù)湮飸B(tài)是指物質(zhì)的狀態(tài)不僅取決于其組成部分，還取決于它們之間的排列方式。這種狀態(tài)可以通過拓?fù)洳蛔兞縼砻枋觯@些不變量通常與幾何形狀有關(guān)。在某些材料中，存在一種稱為“任意子”的奇特粒子。與普通粒子不同的是，任意子具有非交換性質(zhì)。這意味著當(dāng)兩個任意子交換位置時，它們之間會發(fā)生一些奇怪的事情。如果我們將兩個電荷粒子交換位置，則它們之間沒有任何變化。但是，如果我們將兩個任意子交換位置，則它們之間會發(fā)生一些非常奇怪的事情，這種現(xiàn)象被稱為“編織”。非阿貝爾編織是一種利用非阿貝爾任意子進(jìn)行量子操作的方法。正如前述所說，在量子計算中，信息存儲在粒子中容易受到干擾而遭受破壞。避免這種情況的一種方法是避免將信息存儲在單個粒子中，而是存儲在由粒子群形成的整體形狀（拓?fù)洌┲?，如非阿貝爾任意子?/span>非阿貝爾任意子是一類存在于三維空間并具有特殊交換性質(zhì)的量子粒子。當(dāng)兩個非阿貝爾任意子交換位置時，它們會經(jīng)歷取決于交換順序的非平凡相變。這與不表現(xiàn)出這種相變的阿貝爾任意子不同。非阿貝爾任意子和阿貝爾任意子之間的區(qū)別在于它們的交換統(tǒng)計，也就是說阿貝爾任意子遵循熟悉的玻色-愛因斯坦或費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計，而非阿貝爾任意子具有這些傳統(tǒng)統(tǒng)計無法描述的更復(fù)雜的交換統(tǒng)計。為了更好的理解非阿貝爾任意子，請讀者想象一下，在你面前的是兩個相同的物體，當(dāng)你閉上眼睛，再次睜開眼睛時，你依然會看到兩個相同的物體。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，則難以分辨。事實(shí)上，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效，而量子力學(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——盡管它們是完全相同的，但有可能知道它們中的兩個已經(jīng)被交換（這很關(guān)鍵）。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：所謂粒子的“世界線”。當(dāng)交換兩個非阿貝爾任意子時，它們的世界線會相互纏繞。當(dāng)以正確的方式纏繞它們，由此產(chǎn)生的“結(jié)”和“辮”就構(gòu)成了拓?fù)淞孔佑嬎銠C(jī)的基本操作。相較之下，非阿貝爾任意子不同于費(fèi)米子和玻色子（模型中的兩類粒子），甚至阿貝爾任意子。它們在二維系統(tǒng)中具有獨(dú)特的性質(zhì)。當(dāng)非阿貝爾任意子被編織或交換時，它們會導(dǎo)致系統(tǒng)的可觀測值發(fā)生變化，而不會違反粒子不可區(qū)分性原則。也就是說，到目前為止，非阿貝爾任意子，是唯一被預(yù)測會打破這一規(guī)則的粒子。非阿貝爾任意子因其迷人的特性和抗噪性（客注：其它量子比特容易受環(huán)境噪聲的影響，這也是各技術(shù)路線主張容錯量子計算機(jī)的根本所在）來徹底改變量子計算的潛力而受到人們的追捧。微軟數(shù)年來一直押注于此，但到目前為止，似乎還沒有獲得突破性的進(jìn)展。盡管對非阿貝爾任意子有全面的數(shù)學(xué)理解和大量的理論建議，但截至目前，對于其實(shí)驗(yàn)觀察一直具有挑戰(zhàn)性。事實(shí)上，去年 10 月谷歌的量子團(tuán)隊就將該工作以預(yù)印本形式上傳至arXiv。在這篇論文中，研究人員使用了超導(dǎo)量子處理器來模擬編織Ising任意子的過程，并成功地創(chuàng)建了三個邏輯量子比特。首次觀察到非阿貝爾任意子的奇特行為。該團(tuán)隊首先準(zhǔn)備了處于糾纏超導(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)隊熟悉的獨(dú)門絕技。他們使用這種設(shè)置，在棋盤排列中，可以出現(xiàn)阿貝爾任意子的粒子行為。
圖｜表面代碼的變形。a ，穩(wěn)定器代碼在圖形框架中方便地描述。通過表面代碼圖的變形，可以使用量子比特（十字）的方形網(wǎng)格來實(shí)現(xiàn)更通用的圖。Plaquette 違規(guī)（紅色）對應(yīng)于具有s 的穩(wěn)定劑p?= ?1 并且由本地 Pauli 操作創(chuàng)建。在沒有變形的情況下，placette 違規(guī)被限制在表面代碼中雙圖的兩個子晶格之一上移動，因此有兩種藍(lán)色陰影。b ，通過移除兩個相鄰穩(wěn)定器之間的邊緣出現(xiàn)一對 D3V（黃色三角形）， ，并引入新的穩(wěn)定器， 通過應(yīng)用雙量子比特糾纏門移動 D3V， 。在存在大量 D3V 的情況下，沒有一致的棋盤著色方式，因此存在（任意選擇的）灰色區(qū)域。右上角顯示在一般穩(wěn)定器圖中， 可以從每個頂點(diǎn)的約束中找到，其中 { τ1,? τ2} = 0。 為了實(shí)現(xiàn)非阿貝爾任意子，研究人員拉伸并擠壓了量子態(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。在使用由康奈爾大學(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。最終，研究實(shí)現(xiàn)了高度可控的3次頂點(diǎn)編織，從而實(shí)現(xiàn)了非阿貝爾任意子融合和編織規(guī)則的演示。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。
圖｜非阿貝爾任意子的編織。a ，編織過程的字線示意圖。b ，編織的實(shí)驗(yàn)演示，顯示了整個過程中穩(wěn)定劑的價值。兩個σ對，A 和 B，是由真空產(chǎn)生的, 并且 A 對中的一個σ被帶到網(wǎng)格的右側(cè)。接下來，將來自 B 對的σ移動到頂部，從而穿過 A 對的路徑，然后將σ對 A 和 B 重新組合在一起以完成編織。在最后一步，兩個費(fèi)米子出現(xiàn)在σ對所在的位置，構(gòu)成局部可觀測量的變化。步驟 (iv) 中的對角線σ移動需要兩個 SWAP 門（每個三個 CZ 門）和總共十個 CZ 門。步驟 (viii) 中的三量子位酉元需要四個 SWAP 門和總共 15 個 CZ 門。在整個電路中，總共應(yīng)用了 40 層 CZ 門（方法）。黃色三角形代表σ的位置; 棕色和綠色線分別代表來自對 A 和 B 的σ路徑。(xii) 中的四種紅色穩(wěn)定劑的平均值為 ?0.45 ± 0.06，其中不確定性為一個標(biāo)準(zhǔn)差。每個穩(wěn)定劑在每個步驟中測量n = 10,000 次。c ，作為對照實(shí)驗(yàn)，研究人員執(zhí)行與a中相同的編織，但通過將 placette violation 附加到對 B 中的σ （用紫色三角形表示）來具有可區(qū)分的σ 。d ，與b相同，但使用可區(qū)分的σ （僅顯示步驟 (i)、(iv) 和 (xii)）。與b相比，在步驟 (xii) 中沒有觀察到費(fèi)米子。 最重要的是，該團(tuán)隊觀察到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 (GHZ) 態(tài)，實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)三個邏輯量子比特的非阿貝爾任意子的糾纏態(tài)的創(chuàng)建。
圖｜任意子編碼邏輯量子比特通過編織的糾纏態(tài)。a ，編碼在八個任意子中的三個邏輯量子比特的邏輯運(yùn)算符（其他基礎(chǔ)選擇也是可能的）。左列中的彩色曲線表示 placette 違規(guī)路徑，在減少到實(shí)驗(yàn)中測量的更短的等效 Pauli 弦之前（右列）。b ，用于實(shí)現(xiàn)邏輯量子比特糾纏態(tài)的單個交換的 Worldline 示意圖。c ，非阿貝爾任意子的單次交換，顯示了整個協(xié)議中穩(wěn)定器的測量值。黃色三角形代表σ的位置，而棕色和綠色線表示它們的路徑。第一步和最后一步的平均穩(wěn)定劑值分別為 0.95 ± 0.04 和 0.88 ± 0.05（一個標(biāo)準(zhǔn)偏差）。每個穩(wěn)定劑在每個步驟中測量 n = 20,000 次。d 、e 、實(shí)部 ( d ) 和虛部 ( e ) 從量子態(tài)層析成像重建的密度矩陣。Re(??)在它的角落有明顯的峰，正如表格上的 GHZ 狀態(tài)所預(yù)期的那樣  與理想 GHZ 狀態(tài)的重疊是，其中不確定性是從引導(dǎo)程序確定的一個標(biāo)準(zhǔn)偏差。 這一重要的里程碑表明，利用非阿貝爾任意子進(jìn)行拓?fù)浔Ｗo(hù)和量子計算是可行的。此外，該研究還提供了新的關(guān)于非阿貝爾編織的見解，并通過未來加入糾錯來實(shí)現(xiàn)拓?fù)浔Ｗo(hù)，為實(shí)現(xiàn)容錯量子計算打開了一條道路，對于推動量子計算技術(shù)的發(fā)展意義非凡。一直以來，高呼的容錯量子計算，在經(jīng)歷了長達(dá)30年的積累后，技術(shù)的創(chuàng)新帶來了新的技術(shù)創(chuàng)新，按照近日公開的成果，恐怕會提前帶來。[1]https:///abs/2210.10255[2]https://www./articles/s41586-023-059544[3]https://blog.google/technology/research/an-important-step-towards-improved-quantum-computers/聲明：此文出于傳遞更多信息。若有錯誤或侵權(quán)，請聯(lián)系
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