Google Quantum AI нашел частицы, которые могут решить проблему шума в квантовых компьютерах

Ученые из Google Quantum AI впервые наблюдали неабелевы энионы — частицы, которые могут революционизировать квантовые вычисления, делая их более устойчивыми к шумам и позволяя реализовать топологические квантовые вычисления. Об этом они сообщили в статье, опубликованной в журнале Nature 11 мая.

Неабелевы энионы —единственные частицы, которые нарушают общее правило: если поменять местами два одинаковых объекта, то невозможно определить, был ли обмен. Для всех частиц, известных до сих пор, это правило соблюдалось. Но не для неабелевых энионов.

Обнаруженные частицы интересны своими свойствами и потенциалом для квантовых вычислений, так как они могут сохранять информацию даже при воздействии шумов. Но десятилетиями ученым не удавалось обнаружить неабелевы энионы и их странное поведение.

Исследователи из Google Quantum AI использовали один из своих сверхпроводящих квантовых процессоров для того, чтобы впервые зафиксировать новые частицы. Они также продемонстрировали, как энионы можно использовать для квантовых вычислений. На прошлой неделе квантовая компания Quantinuum опубликовала другое исследование по теме, дополняющее открытие Google. Представленные результаты открывают новый путь к топологическим квантовым вычислениям, в которых операции достигаются путем переплетения неабелевых энионов друг с другом, как нити в косичке.

Первый автор статьи из Google Quantum AI Тронд Андерсен говорит: «Наблюдение за странным поведением неабелевых энионов подчеркивает тип захватывающих явлений, к которым мы теперь можем получить доступ с помощью квантовых компьютеров».

Команда начала с подготовки своих сверхпроводящих кубитов в запутанном квантовом состоянии, которое представлена в виде шахматной доски — знакомой конфигурации для команды Google, недавно продемонстрировавшей рубеж в квантовой коррекции ошибок с помощью подобной установки. В расположении шахматной доски могут возникать связанные, но менее полезные частицы, называемые абелевыми энионами.

Чтобы реализовать неабелевы энионы, исследователи растягивали и сжимали квантовое состояние своих кубитов, превращая шашечный узор в странные многоугольники. Определенные вершины многоугольников содержали неабелевы энионы. Используя протокол, разработанный Эун-А Ким из Корнеллского университета, команда смогла переместить неабелевы энионы, продолжая деформировать решетку и сдвигая положения неабелевых вершин.

В ряде экспериментов исследователи из Google наблюдали за поведением этих неабелевых энионов и их взаимодействием с более обычными абелевыми энионами. Переплетение двух типов частиц приводило к странным явлениям — частицы таинственно исчезали, появлялись и меняли свой тип, когда они обвивались друг вокруг друга и сталкивались. Самое главное, что команда наблюдала главный признак неабелевых энионов: когда два из них менялись местами, это вызывало заметное изменение в квантовом состоянии системы — поразительное явление, которое никогда раньше не наблюдалось.

Наконец, команда продемонстрировала, как переплетение неабелевых энионов может использоваться в квантовых вычислениях. Переплетая несколько неабелевых энионов вместе, они смогли создать известное запутанное квантовое состояние, называемое состоянием Гринбергера-Хорна-Цайлингера (GHZ).

Физика неабелевых частиц также лежит в основе подхода, который Microsoft выбрал для своих квантовых вычислений. В то время как они пытаются создать системы, которые изначально содержат эти энионы, команда Google показала, что тот же тип физики может быть реализован на собственных сверхпроводящих процессорах.

На прошлой неделе квантовая компания Quantinuum опубликовала впечатляющее дополнительное исследование , которое также продемонстрировало переплетение неабелевых энионов, используя квантовый процессор на основе захваченных ионов.

Абелевы и неабелевы энионы — это типы квазичастиц, которые возникают только в двумерных системах и имеют особую статистику обмена. Это означает, что когда две одинаковые частицы меняются местами, их волновая функция может изменяться не только по фазе, но и по форме. Абелевы энионы — это частицы, для которых двойной обмен эквивалентен тождественному преобразованию. Неабелевы энионы — это частицы, для которых двойной обмен может приводить к неприводимому изменению волновой функции.

Абелевы энионы играют важную роль в фракционном квантовом эффекте Холла, где они возникают как возбуждения на границе двумерного электронного газа в сильном магнитном поле. Они были обнаружены в двух экспериментах в 2020 году с помощью интерферометрии Аарона-Бохма.

Неабелевы энионы интересны своим потенциалом для квантовых вычислений, так как они могут кодировать информацию в топологическом порядке и защищать ее от шумов. Они были недавно обнаружены физиками из Quantinuum, сотрудничества между квантовой компанией Honeywell и стартапом из Кембриджа, Великобритания. Они использовали квантовый процессор на основе захваченных ионов для демонстрации переплетения неабелевых энионов, которое может использоваться для квантовых операций.