Ερευνητές επιτυγχάνουν καθολικές κβαντικές πύλες χρησιμοποιώντας εξωτικά ανιόνια σε πραγματικό υλικό

Ερευνητές πέτυχαν ένα καθολικό σύνολο κβαντικών πυλών μέσω της πλέξης και της σύντηξης εξωτικών οιονεί σωματιδίων που ονομάζονται μη αβελιανά ανιόνια σε έναν πραγματικό κβαντικό επεξεργαστή, ένα αποτέλεσμα που δημοσιεύτηκε στο Nature στις 15 Ιουλίου. Το πείραμα, το οποίο πραγματοποιήθηκε στον επεξεργαστή παγιδευμένων ιόντων H2 54-qubit της Quantinuum, προσφέρει μια νέα διαδρομή προς κβαντικούς υπολογιστές ανθεκτικούς σε σφάλματα, οι οποίοι είναι εγγενώς προστατευμένοι από λάθη.bioengineer+1

Ένα συστατικό που έλειπε για την τοπολογική υπολογιστική

Η τοπολογική κβαντική υπολογιστική υπόσχεται εδώ και καιρό έναν τρόπο προστασίας των κβαντικών πληροφοριών από τον τοπικό θόρυβο που ταλανίζει τις τρέχουσες μηχανές, κωδικοποιώντας δεδομένα σε καθολικές ιδιότητες εξωτικών καταστάσεων της ύλης αντί για εύθραυστα μεμονωμένα qubits. Για τις απλούστερες μη αβελιανές φάσεις, ωστόσο, η πλέξη ανιονίων από μόνη της ήταν γνωστό ότι δεν επαρκούσε για καθολικούς υπολογισμούς — ορισμένες πύλες παρέμεναν ανέφικτες.scienmag+1

Η νέα μελέτη, με επικεφαλής τον Chiu Fan Bowen Lo του Πανεπιστημίου Χάρβαρντ μαζί με συνεργάτες από την Quantinuum, το Πανεπιστήμιο του Σικάγο και άλλα ιδρύματα, καλύπτει αυτό το κενό αντιμετωπίζοντας τη σύντηξη ανιονίων —τη συγχώνευση δύο ανιονίων και την ανάγνωση του αποτελέσματος— ως ένα ενεργό υπολογιστικό βήμα και όχι ως μια παθητική ιδιότητα. "Αποδείξαμε ένα καθολικό σύνολο πυλών", δήλωσε ο Ruben Verresen του Πανεπιστημίου του Σικάγο, εξηγώντας ότι η αποθήκευση πληροφοριών σε αναδυόμενους βαθμούς ελευθερίας τύπου κουάρκ και ο χειρισμός τους "επιτρέπει ουσιαστικά οποιονδήποτε κβαντικό υπολογισμό".arxiv+1

Κατασκευάζοντας έναν τοπολογικό υπολογιστή σε πραγματικό υλικό

Η ομάδα προετοίμασε μια τοπολογικά διατεταγμένη κυματοσυνάρτηση βασισμένη στο κβαντικό διπλό του S3, της μικρότερης μη αβελιανής ομάδας, σε 54 qubits στον επεξεργαστή H2. Κωδικοποίησαν λογικά qutrits —κβαντικές μονάδες τριών επιπέδων— στον μη τοπικό χώρο σύντηξης μη αβελιανών ανιονίων ροής. Η πλέξη αυτών των ανιονίων παρήγαγε λειτουργίες εμπλοκής, ενώ η σύντηξη απέδωσε διακριτές λειτουργίες μέτρησης· μαζί, αυτά τα πρωτόγονα στοιχεία μπορούν κατ' αρχήν να συνθέσουν οποιονδήποτε κβαντικό μετασχηματισμό.quantumzeitgeist+3

Για να επικυρώσουν την προσέγγιση, οι ερευνητές προετοίμασαν τοπολογικά μια μαγική κατάσταση, έναν πόρο απαραίτητο για σχήματα κβαντικής υπολογιστικής ανθεκτικά σε σφάλματα. Επίσης, απέδειξαν την παγίδευση ενός μεμονωμένου μη αβελιανού ανιονίου στον τόρο, τεκμηριώνοντας τους κυκλικούς κανόνες σύντηξης που υποστηρίζουν την καθολικότητα.inspirehep+2

Από τη θεωρία στην κλιμακωσιμότητα

Το αποτέλεσμα βασίζεται στα προηγούμενα ορόσημα της Quantinuum, συμπεριλαμβανομένης της πρώτης δημιουργίας και χειρισμού μη αβελιανών ανιονίων στον H2 το 2023, εργασία που δημοσιεύτηκε αργότερα στο Nature το 2024. Η νέα εργασία προχωρά παραπέρα δείχνοντας ότι οι ελάχιστα μη αβελιανές τοπολογικές τάξεις μπορούν να προετοιμαστούν αποτελεσματικά και να είναι υπολογιστικά καθολικές — ένας συνδυασμός που δεν είχε αποδειχθεί προηγουμένως σε υλικό.pubmed.ncbi.nlm.nih+3

Παραμένουν περιορισμοί: ο αριθμός των qubits και οι χρόνοι συνοχής εξακολουθούν να περιορίζουν την κλίμακα των επιτεύξιμων τοπολογικών καταστάσεων. Η μελλοντική εργασία θα επικεντρωθεί στην κλιμάκωση των μεγεθών του συστήματος για τη μελέτη μηχανισμών λογικών σφαλμάτων και στρατηγικών αποκωδικοποίησης. Ωστόσο, η επίδειξη επαναπροσδιορίζει τι απαιτείται για την καθολική τοπολογική κβαντική υπολογιστική — όχι μόνο πλουσιότερα στατιστικά στοιχεία ανιονίων, αλλά ελεγχόμενη σύντηξη σε πραγματικές συσκευές.quantumzeitgeist