量子電腦將「任意子」與記憶編織成長期尋找的準粒子

任何人，任何人嗎？

科學家創造了奇怪的新粒子狀物體，稱為非阿貝爾任意子。 這些人們長期尋找的準粒子可以被“編織”，這意味著它們可以相互移動並保留交換的記憶，類似於編織的馬尾辮如何記錄股線相互交叉的順序。

兩個獨立團隊——一個由谷歌的研究人員領導，另一個由量子計算公司 Quantinuum 的研究人員領導——報告了使用量子電腦創建和編織這些任意子的版本。 Google 和 Quantinuum 結果分別報告5月11日於自然和5 月 9 日及 arXiv.org，可以幫助科學家建構能夠抵抗目前困擾機器的錯誤的量子電腦。

非阿貝爾任意子違背了關於交換位置的物體會發生什麼的普遍直覺。 想像街頭遊戲中的杯子和球，表演者來回交換相同的杯子。 如果您不仔細觀察，您永遠不會知道兩個杯子是否已相互移動並返回原來的位置。 在量子世界中，情況並非總是如此。

加州聖塔芭芭拉谷歌量子人工智慧的物理學家特隆德·安德森(Trond Andersen) 表示：「據預測，存在一種瘋狂的粒子，如果你閉上眼睛，將它們相互交換，你實際上可以在事後分辨出來。

我們常規 3D 世界中的粒子無法完成這個魔術。 但當粒子僅限於二維時，規則就會改變。 雖然科學家沒有一個二維宇宙來探索粒子，但他們可以操縱材料或量子電腦來表現出類似二維粒子的行為，從而創造出稱為準粒子的物體。

根據每種類型的相同粒子交換時的行為方式，所有基本亞原子粒子分為兩類。 它們要么是費米子（一類包括電子和其他構成物質的粒子），要么是玻色子（包括稱為光子的光粒子）。

但在二維中，還有另一個選擇：任意子。 對於玻色子或費米子，來回交換相同的粒子或將它們相互移動並不能產生直接可測量的效果。 對任意子來說，都可以。

在 1990 年代，科學家意識到任意子的一個特定版本，稱為非阿貝爾任意子，可以用來構建量子計算機，可以保護脆弱的量子信息，這些信息很容易被微小的干擾打亂。

「出於根本原因，這些任意子非常令人興奮，並且出於實際原因，人們希望它們可能有用，」馬裡蘭大學帕克分校的理論物理學家邁薩姆·巴克什利（Maissam Barkeshli）說，他沒有參與這兩項研究。

谷歌的團隊使用超導量子電腦創建了任意子，其中量子位元或量子位元由無電阻導電的材料製成。 Quantinuum 的研究尚未經過同行評審，該研究基於量子計算機，其量子位元由被捕獲的帶電鐿和鋇原子組成。 在這兩種情況下，科學家都操縱量子位元來創建任意子並移動它們，展示了任意子編織後可測量的變化。

科學家們先前已經創造並編織了一種不那麼奇特的任意子類型，稱為阿貝爾任意子，在固體材料的二維層內（序號：7/9/20）。 許多物理學家也同樣在尋找一種可能包含非阿貝爾類型的固體材料。

但巴克什利說，新研究在量子電腦內的量子位元內創造了非阿貝爾態，這是根本不同的。 “你在某種程度上綜合地創造了轉瞬即逝的狀態。” 他說，這意味著它不具備固體材料中任意子所具有的所有特性。

在這兩種情況下，在任意子能夠創造強大的、抗錯誤的量子電腦之前，還必須做更多的工作。 特別是谷歌的研究產生了一種類似魚離開水的任意子。 它是更常見的阿貝爾框架內的非阿貝爾。 巴克什利說，這意味著這些任意子對於量子計算來說可能沒有那麼強大。

這並不全是關於實際用途。 Quantinuum 的慕尼黑物理學家 Henrik Dreyer 表示，證明非阿貝爾任意子確實存在至關重要。 它“證實了量子力學的規則以我們認為的方式應用。”