«Тёмная лошадка» квантовых вычислений доказала, что может стать универсальной

Учёные из Чикагского университета (UChicago PME), Гарварда, Университета Стоуни-Брук и компании Quantinuum впервые экспериментально продемонстрировали полный набор операций на основе неабелевых анионов — экзотических квазичастиц, которые могут стать основой для универсальных квантовых вычислений.

«Мы продемонстрировали так называемый универсальный набор гейтов — это означает, что если хранить информацию в этих эмерджентных версиях кварков и перемещать их, можно выполнить любое квантовое вычисление», — заявил Рубен Верресен, доцент кафедры молекулярной инженерии UChicago PME и соавтор исследования, опубликованного в журнале Nature.

Обычные кубиты кодируют информацию с помощью двух базовых состояний и их квантовых комбинаций. Неабелевы анионы работают принципиально иначе: они не существуют в природе как отдельные частицы, а создаются внутри квантовых схем путём запутывания множества обычных кубитов в коллективное состояние.

Каждый неабелев анион несёт внутреннее состояние, которое меняется при перемещении одного аниона вокруг другого — процесс, называемый «плетением» (braiding). Последовательность таких операций имеет значение, что позволяет кодировать и обрабатывать информацию способами, недоступными обычным частицам. Поскольку информация распределена по множеству запутанных кубитов, она естественным образом защищена от некоторых помех.

В 2024 году команда уже создала анионы, связанные с группой симметрии D4, на ионной ловушке Quantinuum. Однако одного плетения оказалось недостаточно для универсальных квантовых вычислений. В новой работе исследователи перешли к симметрии S3 и создали соответствующие анионы на процессоре Quantinuum H2, используя 54 запутанных кубита.

Ключевым дополнением стала операция «слияния» (fusion), при которой два аниона сводятся вместе и измеряется результирующее состояние. Теоретически эта идея была предложена ещё в 2003 году Карлосом Мошоном, тогда студентом Джона Прескилла в Калтехе.

Исследователи использовали пары анионов для кодирования «топологических кудитов», хранящих три уровня квантовой информации вместо двух. Комбинируя плетение и слияние, команда продемонстрировала три ключевых инструмента: один запутывающий гейт и два типа измерений, что в принципе позволяет выполнить любую квантовую операцию.

Кроме того, учёные показали, что неабелевы анионы могут напрямую создавать «магическое состояние» с помощью топологических операций, минуя дорогостоящий процесс дистилляции, который в стандартных кодах коррекции ошибок потребляет значительную часть доступных кубитов.

«Неабелевы коды — тёмная лошадка в гонке за квантовую коррекцию ошибок, — отметил Хенрик Дрейер, научный руководитель мюнхенского офиса Quantinuum. — В этой работе мы впервые показали универсальный набор гейтов в неабелевом коде».

Пока эксперимент не включал активную коррекцию ошибок — речь идёт о доказательстве концепции. Следующий шаг — объединить эти операции с активной коррекцией, что может открыть путь к крупномасштабным отказоустойчивым квантовым компьютерам.

Источники:

Материалы предоставлены Чикагским университетом. Оригинал написан Сарой К.П. Уильямс.

Chiu Fan Bowen Lo, Anasuya Lyons, Dan Gresh, Michael Mills, Peter E. Siegfried, Maxwell D. Urmey, Nathanan Tantivasadakarn, Henrik Dreyer, Ashvin Vishwanath, Ruben Verresen, Mohsin Iqbal. Universal gates from braiding and fusing anyons on quantum hardware. Nature, 2026; 655 (8123): 591 DOI: 10.1038/s41586-026-10709-y