Η κβαντική πληροφορική απέκτησε μια νέα, ενδιαφέρουσα διαδρομή προς τον καθολικό υπολογισμό. Σε πείραμα με τον επεξεργαστή H2 της Quantinuum, ερευνητές έδειξαν ότι «μη Αβελιανά» anyons μπορούν να εκτελέσουν ένα πλήρες σύνολο κβαντικών πράξεων, όταν το braiding συνδυάζεται με fusion.
Το αποτέλεσμα δεν σημαίνει ότι ένας πρακτικός, ανθεκτικός σε σφάλματα κβαντικός υπολογιστής είναι έτοιμος. Είναι όμως η πρώτη πειραματική επίδειξη ότι μια ιδέα που εξεταζόταν κυρίως θεωρητικά μπορεί να υλοποιηθεί σε πραγματικό κβαντικό κύκλωμα.
Τι είναι τα μη Αβελιανά anyons
Τα anyons δεν είναι συνηθισμένα σωματίδια που περιφέρονται ελεύθερα στη φύση. Στο πείραμα δημιουργούνται ως συλλογικές καταστάσεις πολλών συμβατικών qubits, τα οποία είναι διεμπλεγμένα έτσι ώστε να συμπεριφέρονται σαν ένα νέο είδος κβαντικού αντικειμένου.
Η πληροφορία δεν αποθηκεύεται σε ένα μόνο qubit, αλλά κατανέμεται σε ολόκληρη την entangled κατάσταση. Όταν ένα anyon μετακινείται γύρω από ένα άλλο, η τελική κβαντική κατάσταση εξαρτάται από τη σειρά των κινήσεων. Αυτή η ιδιότητα είναι που δίνει τον χαρακτηρισμό «μη Αβελιανά» και επιτρέπει στο braiding να λειτουργεί ως υπολογιστική πράξη.
Γιατί το braiding από μόνο του δεν αρκεί
Σε προηγούμενο πείραμα του 2024, η ίδια ερευνητική γραμμή είχε δημιουργήσει anyons που συνδέονται με τη συμμετρία D4 σε κβαντικό υπολογιστή παγιδευμένων ιόντων της Quantinuum. Οι ερευνητές μπόρεσαν να τα δημιουργήσουν και να τα χειριστούν, όμως το braiding μόνο του δεν παρείχε όλες τις πράξεις που χρειάζονται για καθολικό κβαντικό υπολογισμό.
Στη νέα μελέτη στράφηκαν στη συμμετρία S3, η οποία περιγράφει τις περιστροφές και τις ανακλάσεις που αφήνουν ένα ισόπλευρο τρίγωνο αμετάβλητο. Στον επεξεργαστή H2 χρησιμοποίησαν 54 διεμπλεγμένα qubits για να δημιουργήσουν το αντίστοιχο σύστημα.
Το κρίσιμο βήμα ήταν η προσθήκη του fusion. Σε αυτή τη διαδικασία δύο anyons φέρνονται μαζί και η προκύπτουσα κατάσταση μετριέται. Ο συνδυασμός braiding και fusion έδωσε στους ερευνητές τρία βασικά εργαλεία: μία διεμπλεκόμενη πύλη μέσω braiding και δύο διαφορετικές μετρήσεις μέσω fusion.
Από τα qubits στα qutrits
Η ομάδα χρησιμοποίησε ζεύγη anyons για να κωδικοποιήσει «τοπολογικά qutrits». Σε αντίθεση με τα συνηθισμένα qubits, τα qutrits έχουν τρία δυνατά επίπεδα κβαντικής πληροφορίας.
Με τις διαθέσιμες πύλες και μετρήσεις, οι ερευνητές έδειξαν ότι μπορεί, κατ’ αρχήν, να παραχθεί οποιαδήποτε κβαντική πράξη. Αυτό είναι το νόημα ενός καθολικού συνόλου πυλών: δεν πρόκειται για μία εντυπωσιακή αλλά μεμονωμένη λειτουργία, αλλά για τα απαραίτητα δομικά στοιχεία κάθε γενικού κβαντικού αλγορίθμου.
Η πιθανή σχέση με τη διόρθωση σφαλμάτων
Τα κβαντικά συστήματα είναι εξαιρετικά ευάλωτα σε θόρυβο. Για να προστατεύσουν την πληροφορία, οι ερευνητές συνήθως τη διανέμουν σε πολλά φυσικά qubits, όμως η διόρθωση σφαλμάτων δεν προσφέρει αυτόματα όλες τις αναγκαίες υπολογιστικές πράξεις.
Στα συνηθισμένα σχήματα, το κενό καλύπτεται με ειδικές «magic states». Η παραγωγή τους απαιτεί συχνά μια δαπανηρή διαδικασία καθαρισμού, τη λεγόμενη magic-state distillation, η οποία μπορεί να καταναλώνει μεγάλο μέρος των διαθέσιμων qubits.
Το νέο πείραμα έδειξε επίσης ότι οι μη Αβελιανές anyons μπορούν να παράγουν άμεσα μια magic state μέσω τοπολογικών πράξεων. Αυτό υποδεικνύει έναν πιθανό τρόπο παράκαμψης της distillation, αλλά δεν αποτελεί ακόμη απόδειξη ότι η συνολική διόρθωση σφαλμάτων θα γίνει φθηνή ή απλή.
Απόδειξη αρχής, όχι έτοιμος κβαντικός υπολογιστής
Το σημαντικό όριο της μελέτης είναι σαφές: το πείραμα δεν περιλάμβανε ενεργή διόρθωση σφαλμάτων. Οι ερευνητές εξέτασαν τα επιμέρους δομικά στοιχεία και επιβεβαίωσαν ότι μπορούν να δημιουργήσουν μια magic state συμβατή με τις θεωρητικές προβλέψεις.
Το επόμενο βήμα είναι να συνδυαστούν οι πράξεις braiding και fusion με ενεργή διόρθωση σφαλμάτων και με πιο σταθερές κβαντικές μνήμες. Μόνο αν αυτά τα στάδια λειτουργήσουν μαζί θα φανεί αν οι μη Αβελιανές anyons μπορούν να στηρίξουν μεγάλης κλίμακας, ανεκτικούς σε σφάλματα κβαντικούς υπολογιστές.
Για την ώρα, η αξία του αποτελέσματος βρίσκεται αλλού: μια θεωρητική ιδέα του 2003 μετατράπηκε σε πειραματική επίδειξη καθολικών πράξεων πάνω σε πραγματικό κβαντικό υλικό. Ο δρόμος παραμένει μακρύς, αλλά πλέον έχει ένα πιο συγκεκριμένο και μετρήσιμο ορόσημο.