二维粒子量子计算未来的关键

“Non-AbelianBraidingofGraphVerticesinaSuperconductingProcessor”发表于Nature。GoogleQuantumAI的实验于10月首次发布到arXiv，它建立在突破性理论的基础上，该理论也于10月发布到arXiv，并由Kim和合著者YuriLensky于3月发表，YuriLensky是原子能实验室的前博士后研究员和固态物理学。

理论上已有40年，但直到2022年Kim和合作者才在理论或实验中实现，在某些二维系统中，非阿贝尔任意子可以在其中两个交换位置时产生可测量的运动记录。它们保留了一种记忆，使得可以判断其中两个何时被交换，尽管它们完全相同。

金说，由此产​​生的穿越时空的轨迹——被称为“辫子”——可以通过非本地存储来保护量子信息位，并且可以用于受保护的量子位(qubits)平台。

谷歌实验人员首次使用他们的一个超导量子处理器观察了非阿贝尔任意子的奇特行为，并展示了如何利用这种现象进行量子计算。随着领域的发展，基于量子比特的纠错量子计算系统将成为量子计算所必需的。

按照Kim和Lensky的理论工作中制定的协议，GoogleQuantumAI实验人员在类似于棋盘的二维量子位网格上创建并物理移动了非阿贝尔任意子。为了实现非阿贝尔任意子，他们拉伸并挤压了网格上量子位的量子态，让量子位形成更一般的图形。

Kim说，虽然有强大的数学支持，但简单的几何和创造性洞察力是在物理世界中实现非阿贝尔任意子的理论和实验的核心。

“我们需要引入一个依赖于规范理论数学的新理论框架，”Kim说，“以在设备上实现边缘摆动并预测量子测量结果。

“它看起来很简单，但粒子会记住历史，”金说。“如果你想让它成为未来的技术，你就希望它简单明了。”

在一系列实验中，谷歌研究人员观察了这些非阿贝尔任意子的行为，以及它们如何与装置中更普通的粒子相互作用。将这两种粒子编织在一起导致了奇怪的现象;谷歌研究人员表示，粒子消失、重新出现并从一种类型转变为另一种类型。

最重要的是，研究人员观察到研究人员多年来一直在寻找的非阿贝尔任意子的标志性行为：交换其中两个导致其系统的量子态发生可测量的变化。

最后，他们展示了如何在量子计算中使用编织非阿贝尔任意子，通过将几个非阿贝尔任意子编织在一起，创建了一个著名的量子纠缠态，称为Greenberger-Horne-Zeilinger(GHZ)态。

康奈尔大学量子科学与技术激进合作计划的联合主席Kim称这项工作是凝聚态物理学、量子计算和信息科学的重大进步。

“我们的观察代表了拓扑系统研究的一个重要里程碑，并为探索非阿贝尔任意子的丰富物理学提供了一个新平台，”金说。“此外，通过未来的纠错，它为容错量子计算开辟了一条新途径。”