Forskere oppnår universelle kvanteporter ved bruk av eksotiske anyoner på ekte maskinvare

Forskere har oppnådd et universelt sett med kvanteporter ved å flette og fusjonere eksotiske kvasipartikler kalt ikke-abelske anyoner på en ekte kvanteprosessor, et resultat publisert i Nature den 15. juli. Eksperimentet, utført på Quantinuums 54-qubit H2-prosessor med fangede ioner, tilbyr en ny vei mot feiltolerante kvantedatamaskiner som er iboende motstandsdyktige mot feil.bioengineer+1

En manglende ingrediens for topologisk databehandling

Topologisk kvantedatabehandling har lenge lovet en måte å beskytte kvanteinformasjon mot den lokale støyen som plager dagens maskiner, ved å kode data i globale egenskaper ved eksotiske materietilstander i stedet for i skjøre individuelle qubits. For de enkleste ikke-abelske fasene var det imidlertid kjent at fletting av anyoner alene var utilstrekkelig for universell beregning — noen porter forble utenfor rekkevidde.scienmag+1

Den nye studien, ledet av Chiu Fan Bowen Lo ved Harvard University sammen med samarbeidspartnere fra Quantinuum, University of Chicago og andre institusjoner, lukker dette gapet ved å behandle anyon-fusjon — sammenslåing av to anyoner og avlesning av resultatet — som et aktivt beregningstrinn i stedet for en passiv egenskap. "Vi demonstrerte et universelt portsett," sa Ruben Verresen ved University of Chicago, og forklarte at det å lagre informasjon i fremvoksende kvark-lignende frihetsgrader og manipulere dem "muliggjør i hovedsak enhver kvanteberegning".arxiv+1

Bygging av en topologisk datamaskin på ekte maskinvare

Teamet forberedte en topologisk ordnet bølgefunksjon basert på kvantedobbelen av S3, den minste ikke-abelske gruppen, på tvers av 54 qubits på H2-prosessoren. De kodet logiske qutrits — kvanteenheter med tre nivåer — i det ikke-lokale fusjonsrommet til ikke-abelske fluks-anyonere. Fletting av disse anyonene produserte sammenfiltringsoperasjoner, mens fusjon ga distinkte måleoperasjoner; til sammen kan disse primitivene i prinsippet syntetisere enhver kvantetransformasjon.quantumzeitgeist+3

For å validere tilnærmingen forberedte forskerne topologisk en magisk tilstand, en ressurs som er essensiell for feiltolerante kvantedatabehandlingsskjemaer. De demonstrerte også fangst av en enkelt ikke-abelsk anyon på torusen, noe som beviser de sykliske fusjonsreglene som ligger til grunn for universalitet.inspirehep+2

Fra teori til skalerbarhet

Resultatet bygger på Quantinuums tidligere milepæler, inkludert den første skapelsen og manipuleringen av ikke-abelske anyoner på H2 i 2023, et arbeid som senere ble publisert i Nature i 2024. Den nye artikkelen går videre ved å vise at minimalt ikke-abelske topologiske ordener både kan forberedes effektivt og være beregningsmessig universelle — en kombinasjon som ikke tidligere var demonstrert på maskinvare.pubmed.ncbi.nlm.nih+3

Begrensninger gjenstår: antall qubits og koherenstider begrenser fortsatt skalaen for oppnåelige topologiske tilstander. Fremtidig arbeid vil fokusere på å skalere systemstørrelser for å studere logiske feilmekanismer og dekodingsstrategier. Likevel omdefinerer demonstrasjonen hva som kreves for universell topologisk kvantedatabehandling — ikke bare rikere anyon-statistikk, men kontrollert fusjon på ekte enheter.quantumzeitgeist