量子计算取得革命性突破！Google Quantum AI发现编织非阿贝尔任意子

5月19日 谷歌研究团队Google Quantum AI日前表示，首次观察到编织的非阿贝尔任意子（Non-Abelian Anyons），这一突破可能会给量子计算带来革命性的变化，使其对噪声的鲁棒性更强，并为拓扑量子计算开辟了一条新途径。

根据人们的直觉，不可能看到两个相同的物体是否交换过，而迄今为止观测到的所有粒子都是如此。

Google Quantum AI研究人员首次观察到编织非阿贝尔任意子的奇异效果

非阿贝尔任意子（唯一被预测会打破这一规则的粒子）之所以受到研究人员的关注，是因为其迷人的特性以及通过操作对噪声的鲁棒性更强而彻底改变量子计算的潜力。微软和其他公司选择了这种方法来研究量子计算。但这一领域的研究人员为此付出了几十年的努力，因此观察非阿贝尔任意子及其奇异的行为具有很大的挑战性。

Google Quantum AI对非阿贝尔任意子的发现、研究及观察

在5月11日发表在《自然》杂志上的一篇论文中，Google Quantum AI的研究人员宣布，他们首次使用超导量子处理器之一观察到了非阿贝尔任意子的特殊行为。他们还演示了如何利用这种现象进行量子计算。在本周早些时候，量子计算公司Quantum发布了另一份关于这一主题的研究报告，为Google Quantum AI的发现提供了补充。这些结果为拓扑量子计算开辟了一条新途径，在拓扑量子计算中，其操作是通过将非阿贝尔任意子像辫子一样缠绕在一起来实现的。

Google Quantum AI的团队成员、论文的第一作者TrondI Andersen说:“首次观察到非阿贝尔任意子的奇异效果，确实突出了我们现在可以用量子计算机访问的令人兴奋的现象。”

他表示，可以想象一下，人们同时观察两个相同的物体，然后闭上眼睛，在睁开眼睛之后，看上去仍是一模一样的两个物体，那么是否确定它们已经被相互交换？直觉告诉人们，如果两个物体真是相同的，那就没有办法分辨。

量子力学也支持这种直觉，但仅限于人们熟悉的三维世界。如果相同的物体被限制在二维的平面上运动，人们的直觉有时可能会失效，量子力学允许一些奇怪的事情发生：非阿贝尔任意子保留了一种记忆——尽管非阿贝尔任意子完全相同，但有可能分辨出它们中的两个在什么时候交换过。

非阿贝尔任意子的这种“记忆”可以被认为是时空中的一条连续线：粒子所谓的“世界线”。当两个非阿贝尔任意子交换时，它们的“世界线”相互缠绕。以正确的方式缠绕它们，由此产生的结和辫子可以构建拓扑量子计算机的基本操作。

该团队首先准备了一个纠缠量子态的超导量子比特，这种纠缠量子态被很好地用“棋盘”来表示——这对谷歌研究团队来说是一种熟悉的配置，他们最近展示了使用这种设置进行量子纠错的里程碑。在棋盘排列中，出现了被称为阿贝尔任意子的相关但不太有用的粒子。

为了观察非阿贝尔任意子的行为，研究人员拉伸和压缩了量子比特的量子态，将方格图案转换成形状奇怪的多边形。这些多边形中的特定顶点承载着非阿贝尔任意子。该团队使用康奈尔大学的物理学教授Eun-Ah Kim和前博士后Yuri Lensky开发的协议，可以通过继续变形晶格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。将两种类型的粒子缠绕在一起产生了奇怪的现象——当粒子缠绕在一起碰撞时，它们神秘地消失了，然后又出现了，并且从一种类型变成了另一种类型。最重要的是，Google Quantum AI研究小组观察到了非阿贝尔任意子的特征：当其中两个非阿贝尔任意子被交换时，会导致它们系统的量子态发生可以测量的变化——这是一个以前从未观察到的惊人现象。

最后，该团队演示了如何将非阿贝尔任意子编织在量子计算中。通过将几个非阿贝尔任意子编织在一起，他们能够创造出一种众所周知的量子纠缠态，称为格林伯格-霍恩-塞林格(GHZ)态。

微软及量子计算公司Quantum也在研究非阿贝尔任意子

非阿贝尔粒子的物理学也是微软为其量子计算工作选择的研究方法的核心。当他们试图设计出承载这些任意子的材料系统时，谷歌的研究团队现在已经证明，同样类型的物理学可以在他们的超导处理器上实现。

量子计算公司Quantum最近发布了一项令人印象深刻的研究，该研究也展示了非阿贝尔编织，在这种情况下使用了一个捕获离子量子处理器。Andersen表示，很高兴看到其他量子计算小组也在观察非阿贝尔编织。他说：“在未来的量子计算中如何使用非阿贝尔任意子，以及它们的特殊行为是否能成为容错拓扑量子计算的关键，这将是非常有趣的一项研究。”