谷歌量子芯片释放“天使粒子”力量：革命性拓扑量子计算来了？｜Nature

拓扑量子，可能让2023平凡的五月，载入物理学史册。

随着量子计算技术的不断突破，科学家们正在寻找一种可靠的方法来保护量子比特免受环境噪声和误差的影响。在这方面，拓扑保护和非阿贝尔编织被认为是最有前途的方法之一。

5月9日，量子计算初创公司 Quantinuum通过其高达32Q 离子阱量子计算系统创造并控制非阿贝尔任意子（客：双双现世：世界最强量子计算机+拓扑量子比特）。

今日，Google量子团队宣称首次使用其超导量子处理器来创建和编织非阿贝尔任意子，并通过编码创建了三个逻辑量子比特的任意子纠缠态，其研究以《Non-Abelian braiding of graph vertices in a superconducting processor》为题发表于《自然》杂志。

一个是基于离子阱技术，一个是基于超导量子芯片，这一前一后的突破，可能为扑朔迷离的拓扑量子计算真正打开新世界。

01.

拓扑保护，量子比特的附身符

在传统计算机中，信息以比特（0或1）的形式存储和处理。但在量子计算机中，信息以量子比特（qubit）的形式存储和处理。

由于量子比特具有叠加（superposition）和纠缠（entanglement）等特性，因此它们非常容易受到环境噪声和误差的影响。

全球的量子计算技术路线的玩家都在努力的解决这个问题，在一些分支领域，科学家们提出了拓扑保护的概念。

简单来说，拓扑保护是一种利用物理系统中不同拓扑结构来保护信息相干性和稳定性的方法。

例如，在拓扑量子计算中，可以将非阿贝尔任意子【non-Abelian anyons】嵌入到拓扑量子码中，并利用纠错机制来保护其相干性和稳定性。这种方法可以有效地抵御环境噪声和误差的影响，从而实现可靠的量子计算。

02.

天选之子，非阿贝尔任意子

在理解非阿贝尔任意子之前，我们需要先了解一下拓扑物态。

拓扑物态是指物质的状态不仅取决于其组成部分，还取决于它们之间的排列方式。这种状态可以通过拓扑不变量来描述，而这些不变量通常与几何形状有关。

在某些材料中，存在一种称为“任意子”的奇特粒子。与普通粒子不同的是，任意子具有非交换性质。这意味着当两个任意子交换位置时，它们之间会发生一些奇怪的事情。如果我们将两个电荷粒子交换位置，则它们之间没有任何变化。但是，如果我们将两个任意子交换位置，则它们之间会发生一些非常奇怪的事情，这种现象被称为“编织”。

非阿贝尔编织是一种利用非阿贝尔任意子进行量子操作的方法。

03.

打破规则，突破不可区分性原则

正如前述所说，在量子计算中，信息存储在粒子中容易受到干扰而遭受破坏。避免这种情况的一种方法是避免将信息存储在单个粒子中，而是存储在由粒子群形成的整体形状（拓扑）中，如非阿贝尔任意子。

非阿贝尔任意子是一类存在于三维空间并具有特殊交换性质的量子粒子。当两个非阿贝尔任意子交换位置时，它们会经历取决于交换顺序的非平凡相变。

这与不表现出这种相变的阿贝尔任意子不同。

非阿贝尔任意子和阿贝尔任意子之间的区别在于它们的交换统计，也就是说阿贝尔任意子遵循熟悉的玻色-爱因斯坦或费米-狄拉克统计，而非阿贝尔任意子具有这些传统统计无法描述的更复杂的交换统计。

为了更好的理解非阿贝尔任意子，请读者想象一下，在你面前的是两个相同的物体，当你闭上眼睛，再次睁开眼睛时，你依然会看到两个相同的物体。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，则难以分辨。

事实上，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效，而量子力学允许一些奇怪的事情发生：非阿贝尔任意子保留着一种记忆——尽管它们是完全相同的，但有可能知道它们中的两个已经被交换（这很关键）。

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：所谓粒子的“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。当以正确的方式缠绕它们，由此产生的“结”和“辫”就构成了拓扑量子计算机的基本操作。

相较之下，非阿贝尔任意子不同于费米子和玻色子（模型中的两类粒子），甚至阿贝尔任意子。它们在二维系统中具有独特的性质。当非阿贝尔任意子被编织或交换时，它们会导致系统的可观测值发生变化，而不会违反粒子不可区分性原则。

也就是说，到目前为止，非阿贝尔任意子，是唯一被预测会打破这一规则的粒子。

非阿贝尔任意子因其迷人的特性和抗噪性（客注：其它量子比特容易受环境噪声的影响，这也是各技术路线主张容错量子计算机的根本所在）来彻底改变量子计算的潜力而受到人们的追捧。

微软数年来一直押注于此，但到目前为止，似乎还没有获得突破性的进展。

尽管对非阿贝尔任意子有全面的数学理解和大量的理论建议，但截至目前，对于其实验观察一直具有挑战性。

04.

超导量子，观测到惊人现象

事实上，去年 10 月谷歌的量子团队就将该工作以预印本形式上传至arXiv。

在这篇论文中，研究人员使用了超导量子处理器来模拟编织Ising任意子的过程，并成功地创建了三个逻辑量子比特。首次观察到非阿贝尔任意子的奇特行为。

该团队首先准备了处于纠缠超导量子比特，这种状态很好地表示为棋盘格——这是谷歌团队熟悉的独门绝技。他们使用这种设置，在棋盘排列中，可以出现阿贝尔任意子的粒子行为。

图｜表面代码的变形。a ，稳定器代码在图形框架中方便地描述。通过表面代码图的变形，可以使用量子比特（十字）的方形网格来实现更通用的图。Plaquette 违规（红色）对应于具有s 的稳定剂p = −1 并且由本地 Pauli 操作创建。在没有变形的情况下，placette 违规被限制在表面代码中双图的两个子晶格之一上移动，因此有两种蓝色阴影。b ，通过移除两个相邻稳定器之间的边缘出现一对 D3V（黄色三角形），，并引入新的稳定器，通过应用双量子比特纠缠门移动 D3V，。在存在大量 D3V 的情况下，没有一致的棋盘着色方式，因此存在（任意选择的）灰色区域。右上角显示在一般稳定器图中，可以从每个顶点的约束中找到，其中 { τ1,  τ2} = 0。

为了实现非阿贝尔任意子，研究人员拉伸并挤压了量子态，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。

在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。最终，研究实现了高度可控的3次顶点编织，从而实现了非阿贝尔任意子融合和编织规则的演示。

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。

图｜非阿贝尔任意子的编织。a ，编织过程的字线示意图。b ，编织的实验演示，显示了整个过程中稳定剂的价值。两个σ对，A 和 B，是由真空产生的, 并且 A 对中的一个σ被带到网格的右侧。接下来，将来自 B 对的σ移动到顶部，从而穿过 A 对的路径，然后将σ对 A 和 B 重新组合在一起以完成编织。在最后一步，两个费米子出现在σ对所在的位置，构成局部可观测量的变化。步骤 (iv) 中的对角线σ移动需要两个 SWAP 门（每个三个 CZ 门）和总共十个 CZ 门。步骤 (viii) 中的三量子位酉元需要四个 SWAP 门和总共 15 个 CZ 门。在整个电路中，总共应用了 40 层 CZ 门（方法）。黄色三角形代表σ的位置; 棕色和绿色线分别代表来自对 A 和 B 的σ路径。(xii) 中的四种红色稳定剂的平均值为 −0.45 ± 0.06，其中不确定性为一个标准差。每个稳定剂在每个步骤中测量n = 10,000 次。c ，作为对照实验，研究人员执行与a中相同的编织，但通过将 placette violation 附加到对 B 中的σ （用紫色三角形表示）来具有可区分的σ 。d ，与b相同，但使用可区分的σ （仅显示步骤 (i)、(iv) 和 (xii)）。与b相比，在步骤 (xii) 中没有观察到费米子。

最重要的是，该团队观察到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，实验实现三个逻辑量子比特的非阿贝尔任意子的纠缠态的创建。

图｜任意子编码逻辑量子比特通过编织的纠缠态。a ，编码在八个任意子中的三个逻辑量子比特的逻辑运算符（其他基础选择也是可能的）。左列中的彩色曲线表示 placette 违规路径，在减少到实验中测量的更短的等效 Pauli 弦之前（右列）。b ，用于实现逻辑量子比特纠缠态的单个交换的 Worldline 示意图。c ，非阿贝尔任意子的单次交换，显示了整个协议中稳定器的测量值。黄色三角形代表σ的位置，而棕色和绿色线表示它们的路径。第一步和最后一步的平均稳定剂值分别为 0.95 ± 0.04 和 0.88 ± 0.05（一个标准偏差）。每个稳定剂在每个步骤中测量 n = 20,000 次。d 、e 、实部 ( d ) 和虚部 ( e ) 从量子态层析成像重建的密度矩阵。Re()在它的角落有明显的峰，正如表格上的 GHZ 状态所预期的那样 与理想 GHZ 状态的重叠是，其中不确定性是从引导程序确定的一个标准偏差。

05.

容错量子，千呼万唤或出来

这一重要的里程碑表明，利用非阿贝尔任意子进行拓扑保护和量子计算是可行的。

此外，该研究还提供了新的关于非阿贝尔编织的见解，并通过未来加入纠错来实现拓扑保护，为实现容错量子计算打开了一条道路，对于推动量子计算技术的发展意义非凡。

一直以来，高呼的容错量子计算，在经历了长达30年的积累后，技术的创新带来了新的技术创新，按照近日公开的成果，恐怕会提前带来。