我們的直覺告訴我們，應(yīng)該不可能看到兩個(gè)相同的物體是否來(lái)回交換，對(duì)于迄今為止觀察到的所有粒子，情況都是如此。直到現(xiàn)在。

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 - 因其迷人的特征和它們通過(guò)使操作對(duì)噪聲更具魯棒性來(lái)徹底改變量子計(jì)算的潛力而受到關(guān)注。微軟和其他公司已經(jīng)選擇了這種方法來(lái)進(jìn)行他們的量子計(jì)算工作。但經(jīng)過(guò)該領(lǐng)域研究人員數(shù)十年的努力，至少可以說(shuō)，觀察非阿貝爾安尼子及其奇怪行為已被證明具有挑戰(zhàn)性。

在去年十月發(fā)表在預(yù)印本服務(wù)器arXiv上并于今天發(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，他們使用他們的一個(gè)超導(dǎo)量子處理器來(lái)觀察非阿貝爾任意子的特殊行為，這是有史以來(lái)第一次。

他們還展示了如何使用這種現(xiàn)象進(jìn)行量子計(jì)算。本周早些時(shí)候，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)充了谷歌最初的發(fā)現(xiàn)。這些新結(jié)果為拓?fù)淞孔佑?jì)算開辟了一條新道路，其中操作是通過(guò)將非阿貝爾任意子像編織中的字符串一樣相互纏繞來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

谷歌量子人工智能團(tuán)隊(duì)成員和手稿的第一作者Trond I. Andersen說(shuō)：“第一次觀察非阿貝爾任意子的怪異行為確實(shí)突出了我們現(xiàn)在可以通過(guò)量子計(jì)算機(jī)訪問的令人興奮的現(xiàn)象類型。

想象一下，你被展示兩個(gè)相同的物體，然后被要求閉上眼睛。再次打開它們，您會(huì)看到相同的兩個(gè)對(duì)象。如何確定它們是否已被交換?直覺認(rèn)為，如果這些物體真的相同，就沒有辦法分辨。

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為只在二維平面上移動(dòng)，有時(shí)，我們的直覺可能會(huì)失敗，量子力學(xué)允許一些奇怪的事情：非阿貝爾任意子保留了一種記憶——盡管它們完全相同，但可以判斷其中兩個(gè)何時(shí)被交換。

這種對(duì)非阿貝爾任意子的“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)非阿貝爾的任意子交換時(shí)，他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)和辮子構(gòu)成了拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)的基本操作。

該團(tuán)隊(duì)首先在糾纏的量子態(tài)中準(zhǔn)備他們的超導(dǎo)量子比特，該量子態(tài)很好地表示為棋盤格 - 這是Google團(tuán)隊(duì)熟悉的配置，他們最近展示了使用此設(shè)置進(jìn)行量子糾錯(cuò)的里程碑。在棋盤格排列中，可能會(huì)出現(xiàn)相關(guān)但不太有用的粒子，稱為阿貝爾任意子。

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比特的量子態(tài)，將方格圖案轉(zhuǎn)換為形狀奇怪的多邊形。這些多邊形中的特定頂點(diǎn)承載了非阿貝爾任意子。使用康奈爾大學(xué)的Eun-Ah Kim和前博士后Yuri Lensky開發(fā)的協(xié)議，該團(tuán)隊(duì)可以通過(guò)繼續(xù)變形晶格并移動(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更平凡的阿貝爾任意子相互作用。將兩種類型的粒子相互編織會(huì)產(chǎn)生奇怪的現(xiàn)象 - 粒子神秘地消失，重新出現(xiàn)，并在它們相互纏繞和碰撞時(shí)從一種類型變形到另一種類型。

最重要的是，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)被交換時(shí)，它導(dǎo)致了其系統(tǒng)的量子態(tài)的可測(cè)量變化 - 這是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)建一個(gè)眾所周知的量子糾纏態(tài)，稱為Greenberger-Horne-Zeilinger(GHZ)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?cè)噲D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)證明，同樣的物理類型可以在他們的超導(dǎo)處理器上實(shí)現(xiàn)。

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，在這種情況下使用捕獲離子量子處理器。Andersen很高興看到其他量子計(jì)算小組也觀察到非阿貝爾編織。他說(shuō)：“看看未來(lái)非阿貝爾任意子如何用于量子計(jì)算，以及它們的特殊行為是否可以成為容錯(cuò)拓?fù)淞孔佑?jì)算的關(guān)鍵，這將是非常有趣的。