Vědci dosáhli univerzálních kvantových hradel pomocí exotických anyonů na skutečném hardwaru

Vědci dosáhli univerzální sady kvantových hradel pomocí splétání a slučování exotických kvazičástic zvaných neabelovské anyony na skutečném kvantovém procesoru, což je výsledek publikovaný v časopise Nature 15. července. Experiment, provedený na 54qubitovém procesoru H2 s iontovou pastí společnosti Quantinuum, nabízí novou cestu k kvantovým počítačům odolným vůči chybám, které jsou přirozeně odolné vůči chybám.bioengineer+1

Chybějící přísada pro topologické počítání

Topologické kvantové počítání dlouho slibovalo způsob, jak chránit kvantovou informaci před lokálním šumem, který trápí současné stroje, kódováním dat v globálních vlastnostech exotických stavů hmoty namísto křehkých jednotlivých qubitů. U nejjednodušších neabelovských fází však bylo známo, že samotné splétání anyonů nestačí pro univerzální výpočty — některá hradla zůstala nedosažitelná.scienmag+1

Nová studie, vedená Chiu Fan Bowenem Lo z Harvardovy univerzity spolu se spolupracovníky z Quantinuum, Chicagské univerzity a dalších institucí, tuto mezeru uzavírá tím, že fúzi anyonů — spojení dvou anyonů a vyčtení výsledku — považuje za aktivní výpočetní krok, nikoli za pasivní vlastnost. „Demonstrovali jsme univerzální sadu hradel,“ řekl Ruben Verresen z Chicagské univerzity a vysvětlil, že ukládání informací v emergentních stupních volnosti podobných kvarkům a manipulace s nimi „v podstatě umožňuje jakýkoli kvantový výpočet“.arxiv+1

Budování topologického počítače na skutečném hardwaru

Tým připravil topologicky uspořádanou vlnovou funkci založenou na kvantovém dubletu S3, nejmenší neabelovské grupě, na 54 qubitech procesoru H2. Zakódovali logické qutrity — tříúrovňové kvantové jednotky — v nelokálním fúzním prostoru neabelovských tokových anyonů. Splétání těchto anyonů vytvořilo operace provázání, zatímco fúze poskytla odlišné měřicí operace; společně mohou tyto primitivy v principu syntetizovat jakoukoli kvantovou transformaci.quantumzeitgeist+3

Pro ověření přístupu vědci topologicky připravili magický stav, zdroj nezbytný pro schémata kvantového počítání odolná vůči chybám. Demonstrovali také zachycení jediného neabelovského anyonu na toru, což dokazuje cyklická pravidla fúze, která tvoří základ univerzálnosti.inspirehep+2

Od teorie ke škálovatelnosti

Výsledek staví na dřívějších milnících společnosti Quantinuum, včetně prvního vytvoření a manipulace s neabelovskými anyony na H2 v roce 2023, což je práce později publikovaná v Nature v roce 2024. Nový článek jde dále tím, že ukazuje, že minimálně neabelovské topologické řády lze efektivně připravit a zároveň mohou být výpočetně univerzální — kombinace, která dosud nebyla na hardwaru demonstrována.pubmed.ncbi.nlm.nih+3

Omezení přetrvávají: počet qubitů a koherenční časy stále omezují rozsah dosažitelných topologických stavů. Budoucí práce se zaměří na škálování velikostí systémů pro studium mechanismů logických chyb a dekódovacích strategií. Přesto tato demonstrace nově definuje, co je vyžadováno pro univerzální topologické kvantové počítání — nejen bohatší statistika anyonů, ale řízená fúze na skutečných zařízeních.quantumzeitgeist