科学家发现或可解锁量子计算机的被遗忘粒子

克服这一挑战最有前景的方法之一是拓扑量子计算，其目标是通过将量子信息编码在称为任意子（anyons）的奇异粒子的几何特性中来保护信息。这些粒子预计存在于某些二维材料中，预计比传统量子比特（qubit）更能抵抗噪声和干扰。

"构建这种计算机的主要候选者之一是伊辛任意子（Ising anyons），由于它们可能在分数量子霍尔态和拓扑超导体等奇异系统中实现，凝聚态实验室已在对其进行深入研究，"该研究的资深作者、南加州大学多恩西夫文理学院（USC Dornsife College of Letters, Arts and Sciences）的数学、物理学和天文学教授亚伦·劳达 (Aaron Lauda)说。"伊辛任意子本身无法执行通用量子计算机所需的所有操作。它们支持的计算依赖于'编织'（braiding），即物理上移动任意子相互缠绕以执行量子逻辑。对于伊辛任意子，这种编织仅能实现一组有限的操作，称为克利福德门（Clifford gates），其能力不足以满足通用量子计算的全部要求。"

但在发表于《自然-通讯》(Nature Communications)的一项新研究中，由南加州大学研究人员领导的数学家与物理学家团队展示了一种令人惊讶的解决方法。通过添加一种新的任意子类型——该方法在传统的拓扑量子计算方法中曾被舍弃——该团队表明，伊辛任意子可以被提升为通用的，能够仅通过编织就执行任何量子计算。该团队将这些被拯救的粒子命名为"疏忽子"（neglectons），这个名字既反映了它们被忽视的地位，也体现了其新发现的重要性。这种新的任意子自然地从更广泛的数学框架中产生，并恰好提供了完成计算工具包所缺失的成分。

从数学垃圾到量子宝藏

关键在于一类称为非半单拓扑量子场论（non-semisimple topological quantum field theories, TQFTs）的新数学理论。它们扩展了物理学家通常用来描述任意子的标准"半单"框架。传统模型通过舍弃具有所谓"量子追踪为零"（quantum trace zero）的对象来简化底层数学，实质上宣告它们无用。

"但事实证明，那些被舍弃的对象正是缺失的部分，"劳达解释说。"这就像在大家都认为是数学垃圾的东西里找到了宝藏。"

新框架保留了这些被忽视的成分，并揭示了一种新型任意子——疏忽子——当它与伊辛任意子结合时，允许仅通过编织实现通用计算。关键的是，只需要一个疏忽子，并且在计算执行时它保持静止，而通过在其周围编织伊辛任意子来完成计算。

拥有不稳定房间的房子

这一发现也伴随着数学上的挑战。非半单框架引入了违反幺正性（unitarity）的不规则性，而幺正性是确保量子力学守恒概率的基本原则。大多数物理学家会认为这是一个致命缺陷。

但劳达的团队找到了一个优雅的解决方法。他们设计了量子编码，以将这些数学上的不规则性隔离在实际计算之外。"可以把它想象成在一栋有些房间不稳定的房子里设计量子计算机，"劳达解释说。"我们不是去修复每个房间，而是确保所有计算都发生在结构坚固的区域，同时将有问题的空间设为禁区。"

"我们有效地隔离了理论中奇怪的部分，"劳达说。"通过精心设计量子信息的存放位置，我们确保它停留在理论中行为得体的部分，这样即使整体结构在数学上不寻常，计算也能进行。"

从纯数学到量子现实

这一突破说明了抽象数学如何能以意想不到的方式解决具体的工程问题。

"通过接纳先前被认为无用的数学结构，我们为量子信息科学解锁了全新的篇章，"劳达说。

该研究在理论和实践上都开辟了新方向。在数学方面，该团队正在努力将其框架扩展到其他参数值，并阐明幺正性在非半单TQFTs中的作用。在实验方面，他们的目标是确定可以产生静止疏忽子的具体材料平台，并开发协议将其基于编织的方法转化为可实现的量子操作。

"尤其令人兴奋的是，这项工作使我们更接近使用我们已知如何创造的粒子实现通用量子计算，"劳达说。"数学给出了一个明确的目标：如果实验物理学家能找到实现这种额外静止任意子的方法，它就能释放基于伊辛体系的全部潜力。"

除劳达外，其他作者还包括该研究的第一作者菲利波·尤利亚内利（Filippo Iulianelli）和南加州大学的金松（Sung Kim），以及纽约市立大学梅德加·埃弗斯学院（Medgar Evers College of The City University of New York）的约书亚·苏桑（Joshua Sussan）。

该研究得到了美国国家科学基金会（NSF）资助（DMS-1902092、DMS-2200419、DMS-2401375）、陆军研究办公室（W911NF-20-1-0075）、西蒙斯基金会低维拓扑新结构合作资助、西蒙斯基金会差旅支持资助、美国国家科学基金会研究生研究奖学金（DGE-1842487）以及纽约市立大学专业技术人员大会（PSC CUNY）增强奖（66685-00 54）的支持。