政策利好
在量子计算的赛道上，一匹不太被看好的“黑马”，刚刚跑出了关键的一步。
美国芝加哥大学、哈佛大学、石溪大学与量子计算公司Quantinuum的研究人员合作，首次在实验中证明，一种名为“非阿贝尔任意子”的奇异量子粒子，能够完成通用量子计算所需的全部操作。
这项成果发表在英国《自然》杂志上。研究人员形容，这匹“黑马”终于证明了自己具备全面参赛的实力。
研究团队由芝加哥大学普利兹克分子工程学院的鲁本·费雷森（Ruben Verresen）、Quantinuum慕尼黑办公室的亨里克·德雷尔（Henrik Dreyer），以及哈佛大学的阿什温·维什瓦纳特（Ashvin Vishwanath）等人领衔，研究生阿纳苏雅·莱昂斯（Anasuya Lyons）和Chiu Fan Bowen Lo也是重要参与者。
元股证券:ygzq.hk什么是非阿贝尔任意子
要理解这项成果，得先认识一下主角。它的名字有些拗口，性质却相当迷人。
在我们熟悉的三维世界里，基本粒子只有两大类：费米子和玻色子。但在某些二维量子系统中，会出现一种介于两者之间的奇特“准粒子”，物理学家称之为“任意子”。
任意子中最神奇的一类，是非阿贝尔任意子。几十年来，它一直是理论物理学家笔下的“明星”，却很少在实验室里露面。
它的奇妙之处在于：当两个非阿贝尔任意子相互绕行时，系统的量子状态会发生改变，而且改变的结果取决于绕行的顺序和路径。
这就像编辫子。
先把左边的线绕过中间，还是先把右边的线绕过中间，最后编出来的辫子是不一样的。物理学家把这种操作形象地称为“编织”。
更关键的是，这种信息储存在粒子之间的整体“拓扑”关系中，而不是某一个粒子身上。局部的干扰很难破坏它，就像你轻轻拨动辫子上的一根头发，辫子的整体结构并不会改变。
正因如此，非阿贝尔任意子被视为构建“天生抗干扰”的拓扑量子计算机的理想材料。
要知道，量子比特极其脆弱，温度的微小波动、电磁噪声甚至宇宙射线，都可能让计算结果出错，这正是量子计算机难以做大的根本原因。
炒股配资App54个量子比特里“造”出任意子
然而，在自然材料中找到并操控非阿贝尔任意子极其困难，多年来进展缓慢。
这一次，研究团队换了一条思路：不在材料中寻找，而是在量子计算机里“造”出来。这就像不去野外寻找稀有动物，而是在实验室里用基因工程培育出具有相同特征的品种。
他们使用了Quantinuum公司的H2离子阱量子处理器，把54个量子比特以特定方式纠缠在一起，从而在这个人工系统中生成了非阿贝尔任意子。
这些任意子的性质由一种名为S3的数学对称群描述。通俗地说，S3就是让一个正三角形保持不变的所有旋转和翻转操作的集合。
与普通的量子比特只能存储两种状态不同，这里的拓扑信息单元可以存储三种量子状态。
研究人员随后演示了两类关键操作。一类是“编织”，即让任意子相互绕行；另一类是“融合”，即把任意子合并在一起，并测量合并后的结果。
把这两种操作结合起来，团队成功实现了一套“通用门集”。
费雷森解释说，所谓通用门集，意味着你可以用它完成任何你想做的量子计算。
绕开昂贵的“魔法态蒸馏”
这项成果的另一个亮点，与量子纠错中的一个老大难问题有关。这个问题困扰业界多年，被视为通往实用量子计算机的一大“成本黑洞”。
在主流的量子纠错方案中，有一类关键操作很难直接以容错方式完成，需要借助一种叫“魔法态”的特殊量子态。
要获得高质量的魔法态，就必须进行“魔法态蒸馏”，也就是用大量含有噪声的魔法态，反复提纯出少量高质量的魔法态。这个过程极其耗费资源，会消耗大量的量子比特。
新研究显示，非阿贝尔任意子可以通过拓扑方法直接产生所需的魔法态。
德雷尔形容说，非阿贝尔码是量子纠错竞赛中的一匹黑马。原则上，利用它们进行容错计算，可以不必依赖魔法态蒸馏。
如果这一思路最终在大规模系统中得到验证，将有望大幅降低构建实用量子计算机所需的硬件开销。
对于动辄需要数百万个物理量子比特的容错量子计算机而言，节省下来的每一部分资源都意义重大。
从原理验证到实用化
当然，研究人员也坦言，这项工作目前仍属于原理验证，距离真正的应用还有不短的距离。
实验中还没有加入主动的量子纠错。下一步，团队计划把这些操作与纠错系统结合起来，朝着大规模、容错的实用量子计算机迈进。
从更大的视角看，量子计算正处在从“能算”到“算得准”的关键转折期。
各国科技巨头和研究机构正沿着超导、离子阱、中性原子、光量子和拓扑等不同技术路线展开激烈竞争。其中，拓扑路线因为理论上抗干扰能力最强而备受期待，但实验难度也最大。
这项研究的意义在于，它展示了一条“曲线救国”的道路：不必苦苦等待在材料中找到理想的拓扑粒子，而是可以在现有的量子计算机上模拟和操控它们。
量子计算的终局究竟属于哪条路线政策利好，现在下结论还为时尚早。但这匹“黑马”的出现，无疑让这场竞赛变得更加精彩。
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