Универсальный квантовый компьютер в перспективе должен уметь выполнять любые квантовые алгоритмы — так же, как обычный ноутбук запускает самое разное программное обеспечение. Группа исследователей показала новый способ добиться такой гибкости с помощью необычных квантовых объектов — неабелевых анионов. Работу выполнили специалисты Школы молекулярной инженерии Притцкера Чикагского университета (UChicago PME), Гарварда, Университета Стоуни-Брук и компании Quantinuum.
Учёные создали и протестировали полный набор операций на основе неабелевых анионов. Полученные данные впервые экспериментально подтверждают, что такой подход способен обеспечить широкий спектр действий, необходимых для универсальных квантовых вычислений. «Мы продемонстрировали так называемый универсальный набор гейтов (вентилей) — это значит, что если хранить информацию в этих эмерджентных версиях кварков и перемещать их, можно выполнить любое квантовое вычисление», — приводит слова соавтора исследования, ассистента-профессора молекулярной инженерии UChicago PME Рубена Верресена журнал Nature.
Подход может не только помочь в создании квантового компьютера общего назначения, но и предложить более эффективный путь к надёжным квантовым машинам. Квантовые компьютеры крайне уязвимы к ошибкам, поэтому информацию обычно распределяют по множеству физических кубитов. Такие методы коррекции ошибок сохраняют данные, однако, как правило, не дают всех операций, нужных для универсальных вычислений над защищённой информацией. Чтобы закрыть этот пробел, инженеры часто прибегают к специальным ресурсам — «магическим состояниям». Их получение требует интенсивной очистки, известной как дистилляция, которая может поглощать значительную долю доступных кубитов. Новые результаты говорят о том, что неабелевы анионы способны обойти этот дорогостоящий этап.
«Неабелевы коды — тёмная лошадка в гонке за квантовую коррекцию ошибок, — сказал соавтор работы Хенрик Драйер, управляющий директор и научный руководитель мюнхенского офиса Quantinuum. — В этой работе мы показываем первый универсальный набор гейтов в неабелевом коде, что демонстрирует: отказоустойчивые вычисления в принципе можно выполнять без дистилляции или культивации магических состояний — самых дорогих операций в стандартных кодах квантовой коррекции ошибок».
Обычные кубиты кодируют информацию двумя базовыми состояниями и их квантовыми комбинациями. Неабелевы анионы устроены принципиально иначе: в природе они не встречаются как обычные отдельные частицы. Учёные создают их внутри квантовых схем, запутывая множество обычных кубитов в коллективное состояние, которое ведёт себя как новый тип частицы со своими необычными правилами. «Я представляю эти коды как маленькие вселенные — альтернативные, но отражающие некоторые свойства нашей», — пояснил Верресен. Каждый неабелев анион несёт внутреннее состояние, меняющееся при обходе одного аниона вокруг другого в процессе, называемом браидингом (переплетением). Последовательность таких операций имеет значение — в этом и заключается смысл термина «неабелевы», — что позволяет кодировать и обрабатывать информацию способами, недоступными обычным частицам. Поскольку информация распределена по множеству запутанных кубитов, а не хранится в одном месте, она естественно защищена от части мелких помех, часто нарушающих работу обычных кубитов. Переплетение анионов также позволяет выполнять вычислительные операции.
В 2024 году научная группа, включавшая Верресена, с помощью ионной ловушки Quantinuum создала анионы, связанные с группой симметрии D4 — вращениями и отражениями, оставляющими квадрат неизменным, — впервые продемонстрировав такой неабелев порядок на квантовом оборудовании. Тот эксперимент показал, что необычные частицы можно создавать и перемещать, но одного переплетения не хватало для всех операций универсальных квантовых вычислений. «В той работе мы не доказали, что этих эмерджентных сил достаточно для квантовых вычислений, — отметил Верресен. — Созданная нами вселенная оказалась недостаточно мощной». В новом исследовании учёные перешли к другой симметрии — S3, вращениям и зеркальным отражениям, оставляющим равносторонний треугольник неизменным, — и создали соответствующие анионы на ионном процессоре Quantinuum H2, задействовав 54 запутанных кубита. Система S3 обладала нужными для универсальных вычислений свойствами, но только при сочетании переплетения с ещё одной операцией — слиянием (fusion). При слиянии два аниона сводят вместе и измеряют получившееся состояние. Идею ещё в 2003 году предложил теоретически Карлос Мошон, тогда студент Джона Прескилла в Калтехе; однако превращение теории в работающий на квантовом оборудовании эксперимент потребовало масштабной дополнительной работы теоретиков и экспериментаторов.
Исследователи использовали пары анионов для кодирования «топологических кудитов», хранящих три возможных уровня квантовой информации вместо двух у обычных кубитов. Комбинируя различные операции переплетения и слияния, команда продемонстрировала три ключевых инструмента: один запутывающий гейт, полученный переплетением, и два разных измерения, созданных слиянием. Вместе эти операции в принципе позволяют выполнить любое квантовое действие, включая недостижимые одним лишь переплетением. Помимо возможных вычислительных применений, такие необычные квантовые состояния могут помочь в изучении фундаментальных аспектов физики. «Отрадно видеть, что идеи, над которыми мы думали в годы аспирантуры, реализованы в лаборатории, и это стало возможным благодаря выдающимся достижениям в области квантового оборудования за последние годы», — сказали Анасуя Лайонс и Чиу Фан Боуэн Ло, аспиранты Гарвардского университета из группы Ашвина Вишваната, помогавшие руководить работой.
Учёные также показали, что неабелевы анионы способны напрямую создавать магическое состояние с помощью топологических операций, минуя затратную дистилляцию, применяемую в большинстве квантовых систем. В эксперименте пока не было активной коррекции ошибок: вместо этого исследователи проверяли отдельные строительные блоки метода и подтверждали, что могут создать магическое состояние, согласующееся с теоретическими ожиданиями. «До сих пор мы игнорировали вопрос коррекции ошибок. Здесь это скорее доказательство принципа», — сказал Верресен. Следующий важный шаг — объединить эти операции с активной коррекцией ошибок. Если это удастся, неабелевы анионы со временем могут стать практической основой для крупномасштабных отказоустойчивых квантовых компьютеров. Верресен уже работает с другими исследователями PME над новыми методами стабилизации неабелевой квантовой памяти.