Содержание
Исследователи обнаружили недостающий элемент в решении одной из самых сложных задач квантовых вычислений, пересмотрев роль частиц, которые ранее считались бесполезными с математической точки зрения.
Топологические квантовые компьютеры могут обеспечить более стабильные системы, кодируя информацию в геометрию частиц, называемых энионами. На сегодня наиболее изученным кандидатом для этого является энион Изинга, однако он до сих пор не позволял достичь полноценных универсальных квантовых вычислений.
Новое исследование, проведенное под руководством Филиппо Юлианелли и группы физиков и математиков из Университета Южной Калифорнии, показало, что возвращение в рассмотрение ранее отброшенных частиц может позволить энионам Изинга выполнять универсальные квантовые вычисления исключительно за счет их переплетения. Эти частицы, названные учеными «неглектонами», были описаны в статье, опубликованной в журнале Nature Communications.
Раскрытие потенциала топологических квантовых систем
Квантовые компьютеры способны решать задачи, недоступные даже самым мощным современным суперкомпьютерам. Однако их базовые элементы — кубиты — крайне чувствительны и подвержены ошибкам. Топологические квантовые вычисления предлагают решение этой проблемы, сохраняя информацию в геометрической конфигурации энионов.
Энионы представляют собой квазичастицы, наблюдаемые только в двумерных системах. Их свойства занимают промежуточное положение между бозонами и фермионами, хотя последние существуют в трехмерных системах.
Аарон Лауда, профессор Университета Южной Калифорнии и старший автор исследования, пояснил, что энионы Изинга остаются основными кандидатами для создания квантовых компьютеров, но при их переплетении можно выполнить лишь ограниченный набор операций, известных как «ворота Клиффорда».
Чтобы преодолеть это ограничение, Лауда и его коллеги вернули в рассмотрение «неглектоны» — частицы, которые ранее игнорировались в стандартной топологической квантовой теории поля. Эти частицы могут оставаться неподвижными, пока энионы Изинга переплетаются вокруг них, что позволяет выполнять полный спектр квантовых операций.
«Это как найти сокровище в том, что все считали математическим мусором», — отметил Лауда.
От мусора к прорыву: математика открытия
В основе работы лежит класс математических теорий, известных как неполупростые топологические квантовые теории поля (TQFT). Традиционные «полупростые» подходы упрощают вычисления, отбрасывая объекты с «нулевым квантовым следом», считая их несущественными. Однако это предположение, возможно, исключало критически важный элемент. Возвращение неглектонов позволило раскрыть недостающий компонент, необходимый для универсальных вычислений в системах Изинга.
Решение проблемы унитарности
Хотя неполупростые теории многообещающи, они создают сложности для физиков, поскольку, казалось бы, нарушают унитарность — фундаментальный принцип квантовой механики, обеспечивающий согласованность вероятностей.
Лауда и его команда не стали полностью отказываться от этого принципа, а нашли изящное решение.
«Представьте, что вы проектируете квантовый компьютер в доме с неустойчивыми комнатами», — объяснил Лауда. «Вместо того чтобы ремонтировать каждую, вы просто проводите вычисления в устойчивых зонах».
Таким образом, изолировав квантовую информацию в стабильных областях теории, ученые избежали проблемных зон, сохранив при этом корректность вычислений.
Перспективы практического применения
Хотя исследование носит теоретический характер, его результаты имеют практическое значение. Теперь команда ищет платформы, в которых неглектоны могут возникать естественным образом, а также разрабатывает протоколы для реализации квантовых операций на основе своих математических открытий.
В более широком смысле ученые планируют изучить применимость своей теории к другим параметрам и глубже исследовать принципы унитарности в неполупростых системах.
«Используя математические структуры, которые раньше считались бесполезными, мы открыли новую главу в науке о квантовой информации», — заявил Лауда.
По его словам, если будущие эксперименты подтвердят существование неглектонов, это может раскрыть весь потенциал систем на основе энионов Изинга.
Исследование Лауды и его команды было опубликовано в журнале Nature Communications.
