Забытые частицы «неглектоны» могут открыть путь к универсальным квантовым компьютерам

Автор: CC0 Public Domain

Квантовые компьютеры обладают потенциалом решать задачи, недоступные даже самым мощным современным суперкомпьютерам. Однако нынешние машины крайне хрупки: кубиты, хранящие и обрабатывающие информацию, легко подвергаются внешним помехам, что приводит к ошибкам.

Один из самых перспективных подходов к решению этой проблемы — топологический квантовый компьютер, где информация кодируется в геометрических свойствах экзотических частиц, называемых «энионами». Эти частицы, предсказанные в двумерных материалах, должны быть гораздо устойчивее к шумам, чем обычные кубиты.

«Среди главных кандидатов для создания такого компьютера — энионы Изинга, которые уже активно исследуются в лабораториях. Однако сами по себе они не способны выполнять все операции, необходимые для универсального квантового компьютера», — объясняет Аарон Лауда, профессор математики, физики и астрономии в USC Dornsife College.

В новом исследовании, опубликованном в Nature Communications, команда математиков и физиков из Университета Южной Калифорнии обнаружила неожиданное решение. Добавив новый тип эниона, ранее игнорировавшийся в традиционных подходах, ученые показали, что энионы Изинга можно сделать универсальными. Эти частицы получили название «неглектоны» — от английского «neglected» (забытый) и «anyon» (энион).

От математического мусора к квантовому сокровищу

Ключевым открытием стало использование нового класса математических теорий — неполупростых топологических квантовых теорий поля (TQFT). Они расширяют стандартные модели, учитывая объекты, которые раньше считались бесполезными.

«Эти "отброшенные" объекты оказались недостающим звеном. Это как найти сокровище в том, что все считали мусором», — говорит Лауда.

Новый подход позволяет использовать всего один стационарный неглектон, в то время как вычисления выполняются за счёт перемещения энионов Изинга вокруг него.

Дом с нестабильными комнатами

Однако математическая модель столкнулась с проблемой: неполупростые TQFT нарушают унитарность — фундаментальный принцип квантовой механики. Команда нашла решение, изолировав «нестабильные» области теории.

«Представьте, что вы проектируете квантовый компьютер в доме с неустойчивыми комнатами. Вы просто не используете эти комнаты для вычислений», — поясняет Лауда.

От теории к практике

Открытие открывает новые пути как в математике, так и в экспериментальной физике. Учёные работают над поиском материалов, в которых может существовать неглектон, и разработкой протоколов для его использования в реальных квантовых операциях.

«Математика даёт чёткую цель: если экспериментаторы смогут создать этот стационарный энион, это откроет полную мощь систем на основе энионов Изинга», — заключает Лауда.

Больше информации: Universal quantum computation using Ising anyons from a non-semisimple topological quantum field theory, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-61342-8

Источник: University of Southern California