Forskare uppnår universella kvantgrindar med hjälp av exotiska anyoner på verklig hårdvara

Forskare har uppnått en universell uppsättning kvantgrindar genom att fläta och fusionera exotiska kvasipartiklar som kallas icke-abelska anyoner på en verklig kvantprocessor, ett resultat som publicerades i Nature den 15 juli. Experimentet, som utfördes på Quantinuums 54-qubit H2-jonfällprocessor, erbjuder en ny väg mot feltoleranta kvantdatorer som är inneboende resistenta mot fel.bioengineer+1

En saknad ingrediens för topologisk databehandling

Topologisk kvantdatoranvändning har länge lovat ett sätt att skydda kvantinformation från det lokala brus som plågar dagens maskiner, genom att koda data i globala egenskaper hos exotiska materietillstånd snarare än i sköra enskilda qubits. För de enklaste icke-abelska faserna var det dock känt att flätning av anyoner ensamt var otillräckligt för universell beräkning — vissa grindar förblev utom räckhåll.scienmag+1

Den nya studien, ledd av Chiu Fan Bowen Lo vid Harvard University tillsammans med samarbetspartners från Quantinuum, University of Chicago och andra institutioner, stänger det gapet genom att behandla anyonfusion — sammanslagningen av två anyoner och avläsningen av resultatet — som ett aktivt beräkningssteg snarare än en passiv egenskap. "Vi demonstrerade en universell grinduppsättning", sa Ruben Verresen vid University of Chicago, och förklarade att lagring av information i framväxande kvarkliknande frihetsgrader och manipulering av dem "möjliggör i princip vilken kvantberäkning som helst".arxiv+1

Att bygga en topologisk dator på verklig hårdvara

Teamet förberedde en topologiskt ordnad vågfunktion baserad på kvantdubbeln av S3, den minsta icke-abelska gruppen, över 54 qubits på H2-processorn. De kodade logiska qutrits — kvantenheter med tre nivåer — i det icke-lokala fusionsutrymmet för icke-abelska flödesanyoner. Att fläta dessa anyoner producerade sammanflätande operationer, medan fusion gav distinkta mätoperationer; tillsammans kan dessa primitiver i princip syntetisera vilken kvanttransformation som helst.quantumzeitgeist+3

För att validera metoden förberedde forskarna topologiskt ett magiskt tillstånd, en resurs som är väsentlig för feltoleranta kvantdatorprogram. De demonstrerade också infångningen av en enskild icke-abelsk anyon på torusen, vilket bevisar de cykliska fusionsregler som ligger till grund för universalitet.inspirehep+2

Från teori till skalbarhet

Resultatet bygger på Quantinuums tidigare milstolpar, inklusive den första skapelsen och manipuleringen av icke-abelska anyoner på H2 under 2023, ett arbete som senare publicerades i Nature 2024. Den nya artikeln går vidare genom att visa att minimalt icke-abelska topologiska ordningar både kan förberedas effektivt och vara beräkningsmässigt universella — en kombination som inte tidigare hade demonstrerats på hårdvara.pubmed.ncbi.nlm.nih+3

Begränsningar kvarstår: antal qubits och koherenstider begränsar fortfarande skalan för uppnåeliga topologiska tillstånd. Framtida arbete kommer att fokusera på att skala systemstorlekar för att studera logiska felmekanismer och avkodningsstrategier. Ändå omdefinierar demonstrationen vad som krävs för universell topologisk kvantdatoranvändning — inte bara rikare anyonstatistik, utan kontrollerad fusion på verkliga enheter.quantumzeitgeist