5月19日 谷歌研究團(tuán)隊(duì)Google Quantum AI日前表示，首次觀察到編織的非阿貝爾任意子（Non-Abelian Anyons），這一突破可能會(huì)給量子計(jì)算帶來革命性的變化，使其對(duì)噪聲的魯棒性更強(qiáng)，并為拓?fù)淞孔佑?jì)算開辟了一條新途徑。

根據(jù)人們的直覺，不可能看到兩個(gè)相同的物體是否交換過，而迄今為止觀測(cè)到的所有粒子都是如此。

Google Quantum AI研究人員首次觀察到編織非阿貝爾任意子的奇異效果

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）之所以受到研究人員的關(guān)注，是因?yàn)槠涿匀说奶匦砸约巴ㄟ^操作對(duì)噪聲的魯棒性更強(qiáng)而徹底改變量子計(jì)算的潛力。微軟和其他公司選擇了這種方法來研究量子計(jì)算。但這一領(lǐng)域的研究人員為此付出了幾十年的努力，因此觀察非阿貝爾任意子及其奇異的行為具有很大的挑戰(zhàn)性。

Google Quantum AI對(duì)非阿貝爾任意子的發(fā)現(xiàn)、研究及觀察

在5月11日發(fā)表在《自然》雜志上的一篇論文中，Google Quantum AI的研究人員宣布，他們首次使用超導(dǎo)量子處理器之一觀察到了非阿貝爾任意子的特殊行為。他們還演示了如何利用這種現(xiàn)象進(jìn)行量子計(jì)算。在本周早些時(shí)候，量子計(jì)算公司Quantum發(fā)布了另一份關(guān)于這一主題的研究報(bào)告，為Google Quantum AI的發(fā)現(xiàn)提供了補(bǔ)充。這些結(jié)果為拓?fù)淞孔佑?jì)算開辟了一條新途徑，在拓?fù)淞孔佑?jì)算中，其操作是通過將非阿貝爾任意子像辮子一樣纏繞在一起來實(shí)現(xiàn)的。

Google Quantum AI的團(tuán)隊(duì)成員、論文的第一作者TrondI Andersen說:“首次觀察到非阿貝爾任意子的奇異效果，確實(shí)突出了我們現(xiàn)在可以用量子計(jì)算機(jī)訪問的令人興奮的現(xiàn)象。”

他表示，可以想象一下，人們同時(shí)觀察兩個(gè)相同的物體，然后閉上眼睛，在睜開眼睛之后，看上去仍是一模一樣的兩個(gè)物體，那么是否確定它們已經(jīng)被相互交換？直覺告訴人們，如果兩個(gè)物體真是相同的，那就沒有辦法分辨。

量子力學(xué)也支持這種直覺，但僅限于人們熟悉的三維世界。如果相同的物體被限制在二維的平面上運(yùn)動(dòng)，人們的直覺有時(shí)可能會(huì)失效，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了一種記憶——盡管非阿貝爾任意子完全相同，但有可能分辨出它們中的兩個(gè)在什么時(shí)候交換過。

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)非阿貝爾任意子交換時(shí)，它們的“世界線”相互纏繞。以正確的方式纏繞它們，由此產(chǎn)生的結(jié)和辮子可以構(gòu)建拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)的基本操作。

該團(tuán)隊(duì)首先準(zhǔn)備了一個(gè)糾纏量子態(tài)的超導(dǎo)量子比特，這種糾纏量子態(tài)被很好地用“棋盤”來表示——這對(duì)谷歌研究團(tuán)隊(duì)來說是一種熟悉的配置，他們最近展示了使用這種設(shè)置進(jìn)行量子糾錯(cuò)的里程碑。在棋盤排列中，出現(xiàn)了被稱為阿貝爾任意子的相關(guān)但不太有用的粒子。

為了觀察非阿貝爾任意子的行為，研究人員拉伸和壓縮了量子比特的量子態(tài)，將方格圖案轉(zhuǎn)換成形狀奇怪的多邊形。這些多邊形中的特定頂點(diǎn)承載著非阿貝爾任意子。該團(tuán)隊(duì)使用康奈爾大學(xué)的物理學(xué)教授Eun-Ah Kim和前博士后Yuri Lensky開發(fā)的協(xié)議，可以通過繼續(xù)變形晶格和移動(dòng)非阿貝爾頂點(diǎn)的位置來移動(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。將兩種類型的粒子纏繞在一起產(chǎn)生了奇怪的現(xiàn)象——當(dāng)粒子纏繞在一起碰撞時(shí)，它們神秘地消失了，然后又出現(xiàn)了，并且從一種類型變成了另一種類型。最重要的是，Google Quantum AI研究小組觀察到了非阿貝爾任意子的特征：當(dāng)其中兩個(gè)非阿貝爾任意子被交換時(shí)，會(huì)導(dǎo)致它們系統(tǒng)的量子態(tài)發(fā)生可以測(cè)量的變化——這是一個(gè)以前從未觀察到的驚人現(xiàn)象。

最后，該團(tuán)隊(duì)演示了如何將非阿貝爾任意子編織在量子計(jì)算中。通過將幾個(gè)非阿貝爾任意子編織在一起，他們能夠創(chuàng)造出一種眾所周知的量子糾纏態(tài)，稱為格林伯格-霍恩-塞林格(GHZ)態(tài)。

微軟及量子計(jì)算公司Quantum也在研究非阿貝爾任意子

非阿貝爾粒子的物理學(xué)也是微軟為其量子計(jì)算工作選擇的研究方法的核心。當(dāng)他們?cè)噲D設(shè)計(jì)出承載這些任意子的材料系統(tǒng)時(shí)，谷歌的研究團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在已經(jīng)證明，同樣類型的物理學(xué)可以在他們的超導(dǎo)處理器上實(shí)現(xiàn)。

量子計(jì)算公司Quantum最近發(fā)布了一項(xiàng)令人印象深刻的研究，該研究也展示了非阿貝爾編織，在這種情況下使用了一個(gè)捕獲離子量子處理器。Andersen表示，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：“在未來的量子計(jì)算中如何使用非阿貝爾任意子，以及它們的特殊行為是否能成為容錯(cuò)拓?fù)淞孔佑?jì)算的關(guān)鍵，這將是非常有趣的一項(xiàng)研究。”