科学家发现被遗忘粒子，有望突破量子计算机技术瓶颈

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被称为任意子（anyons）的外来粒子的几何特性中来保护它。预测这些粒子存在于某些二维材料中，它们预计比传统的量子比特（qubits）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），由于它们有望在分数量子霍尔态和拓扑超导体等奇异系统中实现，已经在凝聚态物质实验室中被深入研究，"南加州大学多恩西夫文理学院的数学、物理学和天文学教授，同时也是该研究的资深作者亚伦·劳达（Aaron Lauda）说。"仅靠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），即物理上让任意子彼此绕行来执行量子逻辑。对于伊辛任意子来说，这种编织只能实现一组有限的操作，称为克利福德门（Clifford gates），这达不到通用量子计算所需的全部能力。"

但在发表在《自然通讯》(Nature Communications)上的一项新研究中，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个令人惊讶的变通方案。通过添加一种新型的任意子——这种任意子在传统的拓扑量子计算方法中曾被摒弃——该团队表明，可以使伊辛任意子变得通用，仅通过编织就能执行任何量子计算。该团队将这些被挽救的粒子命名为"被忽视子"（neglectons），这个名字既反映了它们曾被忽视的状态，也体现了它们新发现的重要性。这种新的任意子从更广泛的数学框架中自然产生，并恰好提供了完善计算工具包所缺失的成分。

从数学垃圾到量子宝藏

关键在于一类新的数学理论，称为非半单拓扑量子场论（non-semisimple topological quantum field theories, TQFTs）。这些理论扩展了物理学家通常用来描述任意子的标准"半单"（semisimple）框架。传统模型通过摒弃具有所谓"量子迹为零"（quantum trace zero）的对象来简化基础数学，实际上宣布它们是无用的。

"但那些被摒弃的对象结果正是缺失的部分，"劳达解释道。"这就像在所有人都认为是数学垃圾的东西中找到了宝藏。"

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——被忽视子——当它与伊辛任意子结合时，允许仅通过编织进行通用计算。至关重要的是，只需要一个被忽视子，并且它在计算过程中保持静止，而计算是通过将伊辛任意子在其周围编织来执行的。

拥有不稳定房间的房子

这一发现并非没有数学挑战。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保持概率守恒的基本原则。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巧妙的变通方法。他们设计量子编码来将这些数学不规则性与实际计算隔离开来。"可以把它想象成在一个有些房间不稳定的房子里设计量子计算机，"劳达解释道。"与其修复每个房间，不如确保所有计算都在结构稳固的区域进行，同时将有问题的空间隔离在外。"

"我们有效地隔离了理论中的怪异部分，"劳达说。"通过精心设计量子信息存在的位置，我们确保它停留在理论中行为正常的部分，因此即使整体结构在数学上不寻常，计算也能工作。"

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开启了一个全新的篇章，"劳达说。

该研究在理论和实践上都开辟了新的方向。在数学方面，该团队正致力于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，他们旨在识别可能产生静止被忽视子的特定材料平台，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。

"特别令人兴奋的是，这项工作使我们更接近使用我们已经知道如何制造的粒子来实现通用量子计算，"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一种方法来实现这种额外的静止任意子，它就有可能释放基于伊辛系统的全部潜力。"

除劳达外，其他作者还包括该研究的第一作者、南加州大学的菲利波·尤利亚内利（Filippo Iulianelli）和金成（Sung Kim），以及纽约市立大学梅德加埃弗斯学院的约书亚·苏珊（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）、西蒙斯基金会关于低维拓扑中新结构的合作资助、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）和PSC CUNY增强奖（66685-00 54）的支持。