谷歌量子人工智能首次编织非阿贝尔任意子

我们的直觉告诉我们，应该不可能看到两个相同的物体是否来回交换，并且对于迄今为止观察到的所有粒子来说，情况都是如此。到目前为止。

非阿贝尔任意子——唯一被预测会打破这一规则的粒子——因其迷人的特性和通过使操作对噪声更稳健来彻底改变量子计算的潜力而受到人们的追捧。微软和其他公司选择了这种方法来进行量子计算。但经过该领域研究人员数十年的努力，至少可以说，观察非阿贝尔任意子及其奇怪的行为已被证明具有挑战性。

在去年 10 月发布在预印本服务器 Arxiv.org 上并于今天发表在《自然》杂志上的一篇论文中，Google Quantum AI 的研究人员宣布他们已经使用他们的超导量子处理器之一来观察非阿贝尔任意子的奇特行为. 他们还展示了如何使用这种现象来执行量子计算。本周早些时候，量子计算公司 Quantinuum 发布了另一项关于该主题的研究，补充了谷歌的初步发现。这些新结果为拓扑量子计算开辟了一条新途径，其中的操作是通过将非阿贝尔任意子缠绕在一起来实现的，就像编织中的绳子一样。

谷歌量子 AI 团队成员和手稿的第一作者 Trond I. Andersen 说：“首次观察到非阿贝尔任意子的奇异行为确实突出了我们现在可以使用量子计算机访问的令人兴奋的现象类型。”

想象一下，你看到两个相同的物体，然后被要求闭上眼睛。再次打开它们，您会看到相同的两个对象。您如何确定它们是否已被交换?直觉告诉我们，如果对象真的相同，则无法分辨。

量子力学支持这种直觉，但仅限于我们熟悉的三维世界。如果相同的物体被限制只能在二维平面内移动，有时，我们的直觉可能会失败，而量子力学允许一些奇怪的事情：非阿贝尔任意子保留一种记忆——当它们中的两个有被交换，尽管完全相同。

非阿贝尔任意子的这种“记忆”可以被认为是时空中的一条连续线：粒子所谓的“世界线”。当交换两个非阿贝尔任意子时，它们的世界线会相互缠绕。以正确的方式缠绕它们，由此产生的结和辫子构成了拓扑量子计算机的基本操作。

该团队首先准备了处于纠缠量子 态的超导量子比特，这种状态很好地表示为棋盘格——这是谷歌团队熟悉的配置，他们最近使用这种设置展示了量子纠错的一个里程碑。在棋盘排列中，可以出现相关但不太有用的称为阿贝尔任意子的粒子。

为了实现非阿贝尔任意子，研究人员拉伸并挤压了他们量子比特的量子态，将方格图案转变为奇形怪状的多边形。这些多边形中的特定顶点承载着非阿贝尔任意子。使用由康奈尔大学的 Eun-Ah Kim 和前博士后 Yuri Lensky 开发的协议，该团队可以通过继续使晶格变形并移动非阿贝尔顶点的位置来移动非阿贝尔任意子。

在一系列实验中，谷歌的研究人员观察了这些非阿贝尔任意子的行为，以及它们如何与更普通的阿贝尔任意子相互作用。将两种类型的粒子相互缠绕在一起会产生奇怪的现象——粒子神秘地消失、重新出现，并在它们相互缠绕并碰撞时从一种类型转变为另一种类型。最重要的是，该团队观察到了非阿贝尔任意子的标志：当其中两个交换时，会导致其系统的量子态发生可测量的变化——这是一种以前从未观察到的惊人现象。

最后，该团队展示了如何在量子计算中使用非阿贝尔任意子的编织。通过将几个非阿贝尔任意子编织在一起，他们能够创建一种众所周知的量子纠缠态，称为 Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) 态。

非阿贝尔粒子的物理学也是微软为其量子计算工作选择的方法的核心。虽然他们正在尝试设计本质上承载这些任意子的材料系统，但谷歌团队现在已经表明，可以在他们的超导处理器上实现相同类型的物理。

本周，量子计算公司 Quantinuum 发布了一项令人印象深刻的补充研究，该研究还展示了非阿贝尔编织，在本例中使用的是俘获离子量子处理器。Andersen 很高兴看到其他量子计算小组也在观察非阿贝尔编织。他说，“看看非阿贝尔任意子在未来如何用于量子计算，以及它们的奇特行为是否能成为容错拓扑量子计算的关键，将是一件非常有趣的事情。”