谷歌量子人工智能首次编织非阿贝尔任意子

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研究人员首次观察到编织非阿贝尔任意子的奇怪效果

我们的直觉告诉我们，应该不可能看到两个相同的物体是否来回交换，并且对于迄今为止观察到的所有粒子来说，情况都是如此。到目前为止。

非阿贝尔任意子，唯一被预测会打破这一规则的粒子，因其迷人的特性和通过使运算对噪声更具鲁棒性来彻底改变量子计算的潜力而受到人们的追捧。微软和其他公司在量子计算方面选择了这种方法。该领域研究人员已经花费数十年的时间努力研究非阿贝尔任意子及其奇特的行为，可以说这是一个充满挑战性的研究领域。

在去年10月发布在预印本服务器Arxiv.org上并于5月11日发表在《自然》杂志上的一篇论文中，谷歌量子AI的研究人员宣布他们已经使用他们的超导量子处理器之一来观察非阿贝尔任意子的奇特行为。他们还展示了如何使用这种现象来执行量子计算。在五月初，Quantinuum这家量子计算公司发布了一项研究，其内容是在谷歌初步发现的基础上做出了进一步的补充。这些新结果为拓扑量子计算开辟了一条新途径，其中的操作是通过将非阿贝尔任意子缠绕在一起来实现的，就像编织中的绳子一样。

谷歌量子AI团队成员和手稿的第一作者Trond I. Andersen说：“首次观察到非阿贝尔任意子的奇异行为确实突出了我们现在可以使用量子计算机访问的令人兴奋的现象类型。”

想象一下，你看到两个相同的物体，然后被要求闭上眼睛。再次打开它们，您会看到相同的两个对象。如果对象确实相同，则无法分辨它们是否被交换，您怎么判断它们已经交换过了？。

量子力学支持这种直觉，但仅限于我们熟悉的三维世界。如果相同的物体被限制只能在二维平面内移动，有时，我们的直觉可能会失败，量子力学允许一些奇怪的事情发生：非阿贝尔任意子保留着一种记忆，尽管它们完全相同，但可以分辨出它们中的两个何时被交换了。

可以将原话重写为：“任意子的‘记忆’可以被视为时空中的一条连续线，也就是粒子在时空中的‘世界线’。”。当两个非阿贝尔任何子交换时，它们的世界线相互缠绕。将原话重写为：通过正确的捆扎方法形成的节点和辫子是拓扑量子计算机的基本操作。

该团队首先准备了处于纠缠量子态的超导量子比特，这种状态很好地表示为棋盘格，这是谷歌团队熟悉的配置，他们最近使用这种设置展示了量子纠错的一个里程碑。棋盘排列中可能存在一些相关但不太实用的粒子，它们被称为阿贝尔任意子。

研究人员为了实现非阿贝尔任意子，对他们的量子比特的量子态进行了拉伸和挤压，将方格图案转化为了异形多边形。这些多边形中的特定顶点承载着非阿贝尔任意子。使用由康奈尔大学的Eun-Ah Kim和前博士后Yuri Lensky开发的协议，该团队可以通过继续使晶格变形并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，以及它们如何与更普通的阿贝尔任意子相互作用。将两种类型的粒子相互缠绕在一起会产生奇怪的现象，粒子神秘地消失、重新出现，并在它们相互缠绕并碰撞时从一种类型转变为另一种类型。最重要的是，该团队观察到了非阿贝尔任意子的标志：当其中两个交换时，会导致其系统的量子态发生可测量的变化，这是一种以前从未观察到的惊人现象。

最后，该团队展示了如何在量子计算中使用非阿贝尔任意子的编织。他们可以用几个非阿贝尔任意子编织在一起的方法来创建一种众所周知的量子纠缠态，该态被称为...

Greenberger-Horne-Zeilinger态。

微软选择的方法的核心是涉及非阿贝尔粒子物理学的量子计算工作。虽然他们正在尝试设计本质上承载这些任意子的材料系统，但谷歌团队现在已经表明，可以在他们的超导处理器上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补充研究，该研究还展示了非阿贝尔编织，在本例中使用的是俘获离子量子处理器。Andersen感到高兴，因为许多其他量子计算小组也正在研究非阿贝尔编织。他说，“看看非阿贝尔任意子在未来如何用于量子计算，以及它们的奇特行为是否能成为容错拓扑量子计算的关键，将是一件非常有趣的事情。”

来自：全球前沿科学

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