Забытая частица может стать ключом к созданию универсальных квантовых компьютеров

Забытая частица, ранее отброшенная учёными, может стать ключом к созданию мощных универсальных квантовых компьютеров. Автор: AI/ScienceDaily.com

Квантовые компьютеры обладают потенциалом для решения задач, недоступных даже самым современным суперкомпьютерам. Однако современные квантовые машины чрезвычайно хрупки. Квантовые биты или «кубиты», хранящие и обрабатывающие информацию, легко подвергаются воздействию окружающей среды, что приводит к ошибкам, которые быстро накапливаются.

Одним из наиболее перспективных подходов к преодолению этой проблемы является топологический квантовый компьютер, который защищает квантовую информацию, кодируя её в геометрических свойствах экзотических частиц под названием энионы. Эти частицы, предсказанные для определённых двумерных материалов, должны быть значительно более устойчивы к шумам и помехам, чем обычные кубиты.

«Среди ведущих кандидатов для построения такого компьютера — изинговские энионы, которые уже интенсивно исследуются в лабораториях физики конденсированного состояния из-за их потенциальной реализации в экзотических системах, таких как дробный квантовый эффект Холла и топологические сверхпроводники», — сказал Аарон Лауда, профессор математики, физики и астрономии в Колледже литературы, искусств и наук USC Dornsife и старший автор исследования. «Сами по себе изинговские энионы не могут выполнять все операции, необходимые для универсального квантового компьютера. Вычисления, которые они поддерживают, основаны на «сплетении» — физическом перемещении энионов вокруг друг друга для выполнения квантовой логики. Для изинговских энионов это сплетение позволяет выполнять лишь ограниченный набор операций, известных как ворота Клиффорда, которых недостаточно для полной мощности универсального квантового вычисления».

Но в новом исследовании, опубликованном в Nature Communications, команда математиков и физиков под руководством исследователей из USC продемонстрировала неожиданное решение. Добавив один новый тип эниона, который ранее отбрасывался в традиционных подходах к топологическим квантовым вычислениям, команда показала, что изинговские энионы можно сделать универсальными, способными выполнять любые квантовые вычисления исключительно через сплетение. Команда назвала эти «спасённые» частицы «неглектонами» — имя, которое отражает как их упущенный статус, так и их новообретённую важность. Этот новый энион естественным образом возникает из более широкой математической структуры и предоставляет именно тот недостающий ингредиент, который необходим для завершения вычислительного инструментария.

От математического мусора к квантовому сокровищу

Ключ кроется в новом классе математических теорий под названием неполупростые топологические квантовые теории поля (TQFT). Они расширяют стандартные «полупростые» структуры, которые физики обычно используют для описания энионов. Традиционные модели упрощают базовую математику, отбрасывая объекты с так называемым «квантовым следом ноль», фактически объявляя их бесполезными.

«Но эти отброшенные объекты оказываются недостающим элементом», — объяснил Лауда. «Это как найти сокровище в том, что все остальные считали математическим мусором».

Новая структура сохраняет эти пренебрегаемые компоненты и раскрывает новый тип эниона — неглектон, — который в сочетании с изинговскими энионами позволяет осуществлять универсальные вычисления исключительно с помощью сплетения. Что важно, требуется только один неглектон, и он остаётся неподвижным, в то время как вычисление выполняется путём сплетения изинговских энионов вокруг него.

Дом с неустойчивыми комнатами

Открытие не обошлось без математических сложностей. Неполупростая структура вводит нерегулярности, которые нарушают унитарность — фундаментальный принцип, обеспечивающий сохранение вероятности в квантовой механике. Большинство физиков сочли бы это фатальным недостатком.

Но команда Лауды нашла элегантное решение. Они разработали своё квантовое кодирование так, чтобы изолировать эти математические нерегулярности от фактического вычисления.

«Думайте об этом как о проектировании квантового компьютера в доме с некоторыми неустойчивыми комнатами», — объяснил Лауда. «Вместо того чтобы ремонтировать каждую комнату, вы обеспечиваете, чтобы все ваши вычисления происходили в структурно надёжных областях, в то время как проблемные пространства остаются недоступными».

«Мы эффективно изолировали странные части теории», — сказал Лауда. «Тщательно проектируя, где живёт квантовая информация, мы обеспечиваем её пребывание в частях теории, которые ведут себя правильно, так что вычисление работает, даже если глобальная структура математически необычна».

От чистой математики к квантовой реальности

Прорыв показывает, как абстрактная математика может решать конкретные инженерные проблемы неожиданными способами.

«Приняв математические структуры, которые ранее считались бесполезными, мы открыли совершенно новую главу для науки о квантовой информации», — сказал Лауда.

Исследование открывает новые направления как в теории, так и на практике. Математически команда работает над расширением своей структуры на другие значения параметров и над прояснением роли унитарности в неполупростых TQFT. На экспериментальной стороне они стремятся идентифицировать конкретные материальные платформы, где мог бы возникнуть стационарный неглектон, и разработать протоколы, которые переводят их подход на основе сплетения в реализуемые квантовые операции.

«Что особенно захватывающе, так это то, что эта работа приближает нас к универсальным квантовым вычислениям с частицами, которые мы уже умеем создавать», — сказал Лауда. «Математика даёт чёткую цель: если экспериментаторы смогут найти способ реализовать этот дополнительный стационарный энион, это может раскрыть всю мощь систем на основе изинга».

Помимо Лауды, другими авторами стали первый автор исследования Филиппо Юлианелли и Сун Ким из USC, а также Джошуа Сусан из Колледжа Медар Эверс Городского университета Нью-Йорка.

Исследование было поддержано грантами Национального научного фонда (NSF) (DMS-1902092, DMS-2200419, DMS-2401375), Армейского исследовательского управления (W911NF-20-1-0075), грантом на сотрудничество Simons Foundation по новым структурам в низкоразмерной топологии, грантом на поддержку поездок Simons Foundation, стипендией для выпускников NSF (DGE-1842487) и усиленной наградой PSC CUNY (66685-00 54).

Источники:

Материалы предоставлены Университетом Южной Калифорнии.