Практичний квантовий комп’ютер зрештою зможе запускати будь-який квантовий алгоритм, так само як звичайний ноутбук може запускати багато різних типів програмного забезпечення. Зараз дослідники продемонстрували новий спосіб отримання цієї гнучкої поверхні за допомогою незвичайних квантових об’єктів, відомих як неабелеві аніони.
Вчені зі Школи молекулярної інженерії Прітцкерівського університету Чикаго (UChicago PME), Гарвардського університету, Університету Стоуні Брук і Quantinuum розробили та випробували повний набір операцій на основі неабелевих аніонів. Їхні результати є першою експериментальною демонстрацією того, що цей підхід може підтримувати широкий спектр операцій, необхідних для універсальних квантових обчислень.
«Ми продемонстрували набір так званих універсальних воріт — це означає, що якщо ви зберігаєте інформацію в цих нових версіях кварків і переміщуєте їх, ви можете виконувати будь-які квантові обчислення, які забажаєте», — сказав Рубен Верресен, доцент кафедри молекулярної інженерії в UChicago PME і співавтор нового дослідження, яке було опубліковано в природа.
Можливий ярлик навколо квантової корекції помилок
Стратегія може зробити більше, ніж допомогти побудувати квантовий комп’ютер загального призначення. Це також може запропонувати більш ефективний шлях до надійних квантових машин.
Квантові комп’ютери надзвичайно вразливі до помилок, тому дослідники зазвичай захищають інформацію, поширюючи її між багатьма фізичними кубітами. Ці методи виправлення помилок можуть захистити дані, але зазвичай вони не забезпечують усіх операцій, необхідних для виконання універсальних квантових обчислень із цією захищеною інформацією.
Щоб заповнити прогалину, інженери часто покладаються на спеціально підготовлені ресурси під назвою «магічний режим». Для їх виробництва зазвичай потрібен інтенсивний процес очищення, відомий як дистиляція, який може споживати велику частину доступних кубітів квантового комп’ютера. Нові результати показують, що неабеліанці можуть запропонувати спосіб обійти цей дорогий крок.
«Неабелеві коди — це темна конячка в гонці за виправлення квантових помилок», — сказав Хенрік Драєр, керуючий директор і головний науковий співробітник Quantinuum у Мюнхені та співавтор дослідження. «У цій роботі ми демонструємо перший універсальний набір воріт у неабелевому коді, показуючи, що стійкі до відмов обчислення можна по суті розробити, не вдаючись до магічної дистиляції або розмноження стану, які є найдорожчими операціями в квантових кодах з виправленням помилок».
Чому неабеліани відрізняються?
Прості кубіти кодують інформацію за допомогою двох фундаментальних станів разом із квантовою комбінацією цих станів. Абеліани працюють зовсім по-іншому.
Усі вони не зустрічаються в природі як прості незалежні частинки. Натомість вчені створюють їх у квантових схемах, перетворюючи багато звичайних кубітів у колективний стан, наче це новий вид частинок, які поводяться за власними незвичайними правилами.
«Я думаю про ці символи, що вони створюють мікровсесвіти — альтернативні всесвіти, але такі, що відображають деякі наші властивості», — сказав Верресен.
Кожен неабелевий має внутрішній стан, який змінюється, коли один рухається навколо іншого в процесі, відомому як плетіння. Послідовність цих операцій плетіння є важливою (тобто неабелевою), що дозволяє кодувати та обробляти інформацію способами, недоступними для звичайних частинок.
Оскільки інформація розподіляється між багатьма переплутаними кубітами, а не зберігається в одному місці, вона також може бути захищена від деяких невеликих перешкод, які часто заважають традиційним кубітам. Weaving anons також може виконувати обчислювальні операції.
Чому було недостатньо просто плести
У 2024 році дослідницька група, до складу якої входив Верресен, використала іонний комп’ютер Quantinuum для створення всіх форм із групою симетрії під назвою D4 — обертання та відображення, які залишають квадрат недоторканим — уперше продемонструвавши цю форму неабелевого порядку в квантовій апаратній частині.
Цей експеримент показав, що незвичайні частинки можна створювати та керувати ними, але просто сплести їх разом недостатньо для виконання всіх операцій, необхідних для універсальних квантових обчислень.
«Роблячи це, ми не показали, що цих нових сил достатньо для квантових обчислень», — сказав Верресен. «Той конкретний всесвіт, який ми створили, був недостатньо потужним».
Fusion розблоковує універсальні квантові операції
Для нового дослідження дослідники перейшли до іншої симетрії, відомої як S3, — повороти дзеркального зображення та обертання, які залишають рівносторонній трикутник недоторканим — і створили відповідні аніони на процесорі Quantinuum H2, використовуючи 54 скручених куба.
Система S3 мала властивості, необхідні для універсальних квантових обчислень, але лише тоді, коли плетіння поєднувалося з іншою операцією під назвою злиття. Під час термоядерного синтезу два аніони поєднуються, і отриманий стан вимірюється.
Основна концепція була теоретично запропонована в 2003 році Карлосом Мохоном, тоді студентом Джона Прескілла в Каліфорнійському технологічному інституті. Перетворення цієї теоретичної ідеї в експеримент, який міг би справді працювати на квантовому апаратному забезпеченні, вимагав значної додаткової теоретичної та експериментальної роботи.
Дослідники використовували пари аніонів для кодування «топологічних кубітів», які зберігають три можливі рівні квантової інформації замість двох рівнів, які використовуються звичайними кубітами.
Комбінуючи різні операції плетіння та злиття, команда продемонструвала три ключові інструменти: кручені ворота, створені за допомогою плетіння, і два різних розміри, створені за допомогою злиття. Разом ці операції можуть створити практично будь-яку квантову операцію, включно з операціями, які неможливо досягти одним плетінням.
Крім потенційних комп’ютерних застосувань, ці незвичайні квантові стани також можуть допомогти дослідникам досліджувати фундаментальні аспекти фізики.
Анасуя Лайонс і Чіу Фан Боуен Ло, аспіранти Гарвардського університету в групі Ашвіна Вішванатха, які допомогли керувати роботою, «Це захоплююче бачити ідеї, які ми втілили на практиці в нашій докторській роботі в лабораторії, і це стало можливим завдяки значному прогресу в квантовому обладнанні за останні кілька років».
На шляху до відмовостійких квантових комп’ютерів
Дослідники також показали, що неабеліанці можуть безпосередньо створювати магічні стани за допомогою топологічних операцій, уникаючи дорогого процесу дистиляції, який використовується в більшості квантових систем.
Експеримент ще не містить активних виправлень помилок. Натомість дослідники зосередилися на тестуванні окремих блоків методу та підтвердили, що вони можуть створити стан магії, який відповідає теоретичним очікуванням.
“Поки що ми ігнорували питання виправлення помилок. Тут це більше схоже на доказ принципу”, – сказав Верресен.
Наступним важливим кроком буде поєднання цих операцій з активним виправленням помилок. Якщо цього вдасться досягти, будь-які неабеліанці можуть з часом стати практичною основою для великомасштабних, стійких до збоїв квантових комп’ютерів. Верресен вже працює з іншими дослідниками PME над новими способами стабілізації неабелевих квантових спогадів.
