谷歌量子人工智能团队与康奈尔大学研究团队合作，在超导量子处理器上首次观察到了非阿贝尔任意子的奇异行为，他们还展示了如何利用这一现象进行量子计算。本周早些时候，量子计算公司Quantinuum发布了一项关于该主题的研究，补充了谷歌的初步发现。这些新的结果为拓扑量子计算开辟了一条新的道路，其中的操作是通过将非阿贝尔任意子像辫子中的线一样绕在彼此周围来实现的（即编织操作），这种粒子是实现容错量子计算，特别是拓扑量子计算的关键成分。该成果于5月11日发表在《自然》杂志上。
直觉告诉我们，应该看不出来两个完全相同的物体是否被交换过位置，但其实这只是在我们熟悉的三维世界中如此。当相同的物体被限制只能在二维平面内移动时，这种直觉有时会失效。量子力学允许一种奇怪的现象：非阿贝尔任意子保留了某种记忆，尽管它们完全相同，仍然可以判断它们中的两个是否进行了交换。非阿贝尔任意子的这种“记忆”可以被视为时空中的连续线，即粒子所谓的“世界线”。当两个非阿贝尔任意子被交换时，它们的世界线会相互缠绕。通过适当地缠绕，形成的结和辫子将构成拓扑量子计算的基本操作。
研究团队首先将超导量子比特制备于纠缠量子态中，为了实现非阿贝尔任意子，研究人员拉伸和压缩了量子比特的量子态，将棋盘格模式变形成奇特的多边形。这些多边形的特定顶点上存在非阿贝尔任意子。使用康奈尔大学研究团队开发的协议，研究团队可以通过不断改变晶格的形状和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与更普通的阿贝尔任意子的相互作用。将这两种类型的粒子彼此编织会产生奇特的现象，粒子神秘地消失、重新出现，并在彼此缠绕和碰撞时从一种类型变形为另一种类型。最重要的是，他们观察到了研究人员多年来一直在寻找的非阿贝尔任意子的标志性行为：交换两个非阿贝尔任意子会导致其系统的量子态发生可测量的变化。最后，他们展示了如何将非阿贝尔任意子编织在量子计算中，即通过将几个非阿贝尔任意子编织在一起，创造出一个著名的量子纠缠态，即GHZ态。
非阿贝尔任意子也是微软选择的量子计算方法的核心。尽管微软正试图设计容纳这些任意子的材料系统，但谷歌团队现在已经证明了超导处理器上也可以实现相同类型的物理。本周，量子计算公司Quantinuum发布了一项令人印象深刻的互补研究，也展示了非阿贝尔编织，但使用的是离子阱量子处理器。Andersen对于其他量子计算团队也观察到非阿贝尔编织感到兴奋。他说：“未来观察非阿贝尔任意子在量子计算中的应用将非常有趣，以及它们奇特行为是否能够成为容错拓扑量子计算的关键。”
图1 研究论文以Non-Abelian braiding of graph vertices in a superconducting processor 为题发表在《自然》杂志上。
图2 拓扑量子计算是通过缠绕非阿贝尔任意子的世界线来完成的。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-05954-4
报道链接：
https://phys.org/news/2023-05-google-quantum-ai-braids-non-abelian.html