谷歌量子AI首次将非阿贝尔辫子

我们的直觉告诉我们，应该不可能看到两个相同的物体是否来回交换，对于迄今为止观察到的所有粒子，情况都是如此。直到现在。

非阿贝尔任意子 - 唯一被预测会打破这一规则的粒子 - 因其迷人的特征和它们通过使操作对噪声更具鲁棒性来彻底改变量子计算的潜力而受到关注。微软和其他公司已经选择了这种方法来进行他们的量子计算工作。但经过该领域研究人员数十年的努力，至少可以说，观察非阿贝尔安尼子及其奇怪行为已被证明具有挑战性。

在去年十月发表在预印本服务器arXiv上并于今天发表在《自然》杂志上的一篇论文中，谷歌量子AI的研究人员宣布，他们使用他们的一个超导量子处理器来观察非阿贝尔任意子的特殊行为，这是有史以来第一次。

他们还展示了如何使用这种现象进行量子计算。本周早些时候，量子计算公司Quantinuum发布了另一项关于该主题的研究，补充了谷歌最初的发现。这些新结果为拓扑量子计算开辟了一条新道路，其中操作是通过将非阿贝尔任意子像编织中的字符串一样相互缠绕来实现的。

谷歌量子人工智能团队成员和手稿的第一作者Trond I. Andersen说：“第一次观察非阿贝尔任意子的怪异行为确实突出了我们现在可以通过量子计算机访问的令人兴奋的现象类型。

想象一下，你被展示两个相同的物体，然后被要求闭上眼睛。再次打开它们，您会看到相同的两个对象。如何确定它们是否已被交换?直觉认为，如果这些物体真的相同，就没有办法分辨。

量子力学支持这种直觉，但仅限于我们熟悉的三维世界。如果相同的物体被限制为只在二维平面上移动，有时，我们的直觉可能会失败，量子力学允许一些奇怪的事情：非阿贝尔任意子保留了一种记忆——尽管它们完全相同，但可以判断其中两个何时被交换。

这种对非阿贝尔任意子的“记忆”可以被认为是时空中的一条连续线：粒子所谓的“世界线”。当两个非阿贝尔的任意子交换时，他们的世界线相互缠绕。以正确的方式包裹它们，由此产生的结和辫子构成了拓扑量子计算机的基本操作。

该团队首先在纠缠的量子态中准备他们的超导量子比特，该量子态很好地表示为棋盘格 - 这是Google团队熟悉的配置，他们最近展示了使用此设置进行量子纠错的里程碑。在棋盘格排列中，可能会出现相关但不太有用的粒子，称为阿贝尔任意子。

为了实现非阿贝尔任意子，研究人员拉伸并挤压了量子比特的量子态，将方格图案转换为形状奇怪的多边形。这些多边形中的特定顶点承载了非阿贝尔任意子。使用康奈尔大学的Eun-Ah Kim和前博士后Yuri Lensky开发的协议，该团队可以通过继续变形晶格并移动非阿贝尔顶点的位置来移动非阿贝尔任意子。

在一系列实验中，谷歌的研究人员观察了这些非阿贝尔任意子的行为，以及它们如何与更平凡的阿贝尔任意子相互作用。将两种类型的粒子相互编织会产生奇怪的现象 - 粒子神秘地消失，重新出现，并在它们相互缠绕和碰撞时从一种类型变形到另一种类型。

最重要的是，研究小组观察到了非阿贝尔任意子的特征：当其中两个被交换时，它导致了其系统的量子态的可测量变化 - 这是以前从未观察到的惊人现象。

最后，该团队展示了如何在量子计算中使用非阿贝尔任意子的编织。通过将几个非阿贝尔任意子编织在一起，他们能够创建一个众所周知的量子纠缠态，称为Greenberger-Horne-Zeilinger(GHZ)态。

非阿贝尔粒子的物理学也是微软为其量子计算工作选择的方法的核心。虽然他们试图设计本质上承载这些任意子的材料系统，但谷歌团队现在已经证明，同样的物理类型可以在他们的超导处理器上实现。

本周，量子计算公司Quantinuum发布了一项令人印象深刻的补充研究，该研究还展示了非阿贝尔编织，在这种情况下使用捕获离子量子处理器。Andersen很高兴看到其他量子计算小组也观察到非阿贝尔编织。他说：“看看未来非阿贝尔任意子如何用于量子计算，以及它们的特殊行为是否可以成为容错拓扑量子计算的关键，这将是非常有趣的。

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