来自芝加哥大学普利兹克分子工程学院（UChicago PME）、哈佛大学、石溪大学以及Quantinuum公司的科学家们创建并测试了一套完整的基于非阿贝尔任意子的操作。他们的结果首次通过实验证明，这种方法能够支持通用量子计算所需的广泛操作。
"我们展示了一套所谓的通用门集——这意味着如果你将信息存储在这些涌现形式的夸克中，并让它们移动，你就可以执行任何你可能想要进行的量子计算，"UChicago PME分子工程助理教授、这项发表在《自然》（Nature）上的新研究的合著者鲁本·弗雷斯恩（Ruben Verresen）说道。
绕过昂贵量子纠错的潜在捷径
这一策略不仅有助于创建通用量子计算机，还可能为构建可靠的量子机器提供一条更高效的路径。
量子计算机极易出错，因此研究人员通常通过将信息分散到许多物理量子比特上来保护信息。这些纠错方法可以保存数据，但通常无法提供在受保护信息上执行通用量子计算所需的全部操作。
为了弥补这一不足，工程师们通常依赖一种被称为"魔法态"的特殊制备资源。产生魔法态通常需要一种被称为蒸馏的密集纯化过程，该过程可能消耗量子计算机可用量子比特的很大一部分。新结果表明，非阿贝尔任意子可能提供一种绕过这一昂贵步骤的途径。
"非阿贝尔码是量子纠错竞赛中的一匹黑马，"Quantinuum慕尼黑办事处董事总经理兼科学负责人、该研究的合著者亨利克·德雷尔（Henrik Dreyer）说道。"在这项工作中，我们展示了非阿贝尔码中的首个通用门集，这证明了容错计算原则上可以在不依赖魔法态蒸馏或培育的情况下完成，而后者是标准量子纠错码中最昂贵的操作。"
非阿贝尔任意子为何与众不同
普通量子比特利用两种基本状态及其量子叠加来编码信息。非阿贝尔任意子的工作方式则根本不同。
这些任意子在自然界中并不以普通的独立粒子形式出现。相反，科学家们通过将许多常规量子比特纠缠成一个集体状态，在量子电路中创建它们，该集体状态的行为就像一种具有自身特殊规则的新型粒子。
"我对这些码的理解是，它们正在创造微小的宇宙——替代宇宙，但这些宇宙反映了我们自己宇宙的某些属性，"弗雷斯恩说。
每个非阿贝尔任意子都携带一个内部状态，当一个任意子围绕另一个任意子移动时，该状态会发生变化，这个过程被称为编织。这些编织操作的顺序至关重要（这正是"非阿贝尔"的含义），使得信息能够以普通粒子无法实现的方式进行编码和操控。
由于信息分散存储在许多纠缠的量子比特上，而非存储在单一位置，因此它还能自然地免受一些经常干扰常规量子比特的小扰动的影响。编织任意子还可以执行计算操作。
为何仅靠编织还不够
2024年，一个包括弗雷斯恩在内的研究团队使用Quantinuum的离子阱量子计算机制造了与一个名为D4的对称群相关联的任意子——D4对称群是使正方形保持不变的旋转和反射操作——首次在量子硬件上展示了这种非阿贝尔序形式。
该实验表明这些不寻常的粒子可以被创建和操控，但仅靠编织它们并不足以执行通用量子计算所需的全部操作。
"在那项工作中，我们没有证明那些涌现力足以进行量子计算，"弗雷斯恩说。"我们创造的那个特定宇宙还不够强大。"
融合解锁通用量子操作
在这项新研究中，研究人员转向了另一种被称为S3的对称性——使等边三角形保持不变的旋转和镜像翻转操作——并在Quantinuum的H2离子阱处理器上使用54个纠缠的量子比特创建了相应的任意子。
S3系统具备通用量子计算所需的属性，但前提是编织必须与另一种被称为"融合"的操作相结合。在融合过程中，两个任意子被靠拢在一起，然后对产生的状态进行测量。
这一基础概念最早于2003年由当时在加州理工学院约翰·普雷斯基尔（John Preskill）指导下攻读博士的卡洛斯·莫乔恩（Carlos Mochon）在理论上提出。然而，将这一理论想法转化为能够在量子硬件上实际运行的实验，需要大量额外的理论和实验工作。
研究人员使用成对的任意子来编码"拓扑量子三态"（topological qutrits），它可以存储三个可能的量子信息能级，而普通量子比特仅使用两个能级。
通过组合不同的编织和融合操作，该团队展示了三种关键工具：一种通过编织产生的纠缠门和两种通过融合产生的不同测量操作。这些操作原则上可以产生任何量子操作，包括仅靠编织无法实现的操作。
除了可能的计算应用之外，这些不寻常的量子态还可以帮助研究人员探究物理学的基本问题。
"看到我们在博士期间一直在思考的想法在实验室中得以实现，令人深感欣慰，而这得益于近年来量子硬件的显著进步，"哈佛大学阿什文·维什瓦纳特（Ashvin Vishwanath）课题组中协助领导这项工作的研究生阿纳苏娅·莱昂斯（Anasuya Lyons）和邱凡·博文·罗（Chiu Fan Bowen Lo）说道。
迈向容错量子计算机
研究人员还证明，非阿贝尔任意子可以直接利用拓扑操作产生魔法态——从而绕过了大多数量子系统中使用的昂贵蒸馏过程。
该实验尚未包含主动纠错。相反，研究人员专注于测试该方法各个独立的构建模块，并确认他们能够创建与理论预期一致的魔法态。
"到目前为止，我们忽略了纠错问题。在这里，这更像是一个原理验证，"弗雷斯恩说。
下一个重要步骤是将这些操作与主动纠错相结合。如果能够实现这一点，非阿贝尔任意子最终可能成为大规模容错量子计算机的实用基础。弗雷斯恩已经在与其他PME研究人员合作，开发稳定非阿贝尔量子存储器的新技术。