一个实用的量子计算机最终必须能够处理任何类型的量子算法，就像普通笔记本电脑能够运行许多不同种类的软件一样。研究人员现在展示了一种新的方法，使用一种称为非阿贝尔任何子的奇异量子物体来达到这种灵活性的水平。来自芝加哥大学普利兹克分子工程学院（UChicago PME）、哈佛大学、石溪大学和Quantinuum的科学家创建并测试了一整套基于非阿贝尔任何子的操作。他们的结果提供了这一方法可以支持通用量子计算所需的广泛操作的首次实验演示。“我们展示了一种所谓的通用门集——这意味着，如果你将信息存储在这些新兴的夸克版本中，并移动它们，你就可以进行你想要的任何量子计算，”UChicago PME的分子工程助理教授、近期发表在《自然》上的新研究的共同作者鲁本·维雷森说。 一种可能绕过昂贵量子错误修正的捷径 该策略不仅能够帮助创建通用量子计算机，可能还会提供通往可靠量子机器的更高效途径。量子计算机对错误极其敏感，因此研究人员通常通过将信息分布在许多物理量子比特上来保护信息。这些错误修正方法可以保留数据，但通常不会提供执行该受保护信息的通用量子计算所需的每一个操作。为了填补这一空白，工程师往往依赖于称为“魔法态”的特殊准备资源。生成这些资源通常需要一个名为蒸馏的密集净化过程，这可能占用大量量子计算机可用的量子比特。新结果表明，非阿贝尔任何子可能提供了一种绕过这一步骤的方式。“非阿贝尔编码在量子错误修正的竞赛中是一匹黑马，”Quantinuum慕尼黑办公室的执行董事和科学负责人汉尼斯·德雷耶说，他也是该研究的共同作者。“在这项工作中，我们展示了第一个非阿贝尔编码中的通用门集，这证明故障容忍计算原则上可以在不诉诸魔法态蒸馏或培养的情况下完成，而这在标准量子错误修正编码中是最昂贵的操作。” 为什么非阿贝尔任何子是不同的 普通量子比特使用两种基本状态以及这些状态的量子组合来编码信息。非阿贝尔任何子以根本不同的方式工作。这些任何子在自然界中并不表现为普通的独立粒子。相反，科学家们通过将许多常规量子比特纠缠成一个集体状态，在量子电路中创造它们，使其表现得像是具有自己特殊规则的新型粒子。“我对这些编码的理解是，它们正在创造小宇宙——替代宇宙，但又反映出我们自己宇宙的一些属性，”维雷森说。每个非阿贝尔任何子携带一个内部状态，当一个任何子在另一个任何子周围移动时，该状态会发生变化，这个过程被称为编织。这些编织操作的顺序是重要的（这就是非阿贝尔的意思），允许信息以普通粒子无法实现的方式进行编码和操作。由于信息分布在许多纠缠的量子比特上，而不是存储在单一的位置，因此它也可以自然地保护免受一些频繁干扰的影响，这些干扰常常会破坏常规量子比特。编织任何子也可以执行计算操作。 为什么仅编织是不够的 在2024年，包括维雷森的研究小组使用Quantinuum的陷阱离子计算机创建了一种与称为D4的对称组相关的任何子——即保持正方形不变的旋转和反射——首次在量子硬件上展示了这种非阿贝尔序。这项实验显示了这些不寻常的粒子可以被创建和操作，但仅靠编织不足以执行通用量子计算所需的每一个操作。“在那项工作中，我们没有演示这些新兴力量足以进行量子计算，”维雷森说。“我们创建的那个特殊宇宙的能力不够强大。” 融合解锁通用量子操作 在新的研究中，研究人员转向另一种称为S3的对称性——即保持等边三角形不变的旋转和镜像翻转，并使用54个纠缠的量子比特在Quantinuum的H2陷阱离子处理器上创建相应的任何子。S3系统具有通用量子计算所需的属性，但仅在编织与另一种称为融合的操作结合时才有效。在融合过程中，将两个任何子聚集在一起，测量结果状态。该基础概念在2003年由卡洛斯·莫琼提出。