Gen Chen: Googles künstliche Quantenintelligenz verwebt zum ersten Mal Nicht-Abelsche Anyons

Text/Chen Gen

Laut dem neuesten Artikel, der im Nature-Magazin veröffentlicht wurde, hat Google kürzlich mit seinem supraleitenden Quantenprozessor das seltsame Verhalten nichtabelscher Anyons beobachtet und demonstriert, wie man dieses Phänomen zur Durchführung von Quantenberechnungen nutzen kann. Unmittelbar danach veröffentlichte das Quantencomputerunternehmen Quantinuum Forschungsergebnisse, die die ersten Erkenntnisse von Google ergänzten. Die Ergebnisse eröffnen einen neuen Weg für das topologische Quantencomputing, bei dem Operationen ausgeführt werden, indem nichtabelsche Anyons wie ein Seil zu einem Zopf zusammengewickelt werden.

Der sogenannte nicht-abelsche Anyon ist ein Teilchenmodell, das umfangreiche Forschung im Bereich topologisches Quantencomputing und topologische Quantenfeldtheorie hervorgerufen hat. Anyonen sind Teilchen, die in zweidimensionalen und höherdimensionalen topologischen Systemen existieren und sich von Bosonen und Fermionen unterscheiden. Als eine Art statistischer Teilchen in der Quantenmechanik sind nichtabelsche Anyons eine besondere Art von Jedermanns, deren statistisches Austauschverhalten nicht nur von der Reihenfolge des Austauschs, sondern auch vom inneren Zustand des Teilchens abhängt. Gleichzeitig gelten nicht-abelsche Anyons auch als stabile Qubits, mit denen Fehlertoleranz im topologischen Quantencomputing erreicht werden kann. Topologisches Quantencomputing ist eine neue Art von Quantencomputing-Modell, das topologische Eigenschaften nutzt, um Quanteninformationen zu speichern und zu manipulieren. Nicht-abelsche Anyonen haben als Träger topologischer Qubits einige besondere Eigenschaften. Beispielsweise können ihre Quantenzustände verschränkt kodiert und vor Umwelteinflüssen geschützt werden.

„Diese erste Beobachtung des bizarren Verhaltens eines Nicht-Abelianers verdeutlicht wirklich die aufregenden Arten von Phänomenen, auf die wir jetzt mithilfe von Quantencomputern zugreifen können.“ sagte Trond I. Andersen, ein Mitglied des Quantum AI-Teams Was unmöglich gewesen wäre zu sehen, ob zwei identische Objekte hin und her ausgetauscht werden, diese Regel kann von Nicht-Abelianern gebrochen werden. Die Quantenmechanik unterstützt diese Idee, allerdings nur in der dreidimensionalen Welt. Wenn die Quantenmechanik in eine zweidimensionale Ebene eingepfropft würde, würde etwas Seltsames passieren: Nicht-Abelsche Anyons behalten ein Gedächtnis, das, obwohl sie identisch sind, erkennen kann, wann zwei von ihnen vertauscht wurden.

In einer Reihe von Experimenten untersuchten Google-Forscher das Verhalten nicht-abelscher Anyionen und wie sie mit gewöhnlicheren abelschen Anyionen interagierten. Dabei kam es zu einem seltsamen Phänomen: Partikel verschwinden auf mysteriöse Weise, tauchen wieder auf und verwandeln sich daraus von einem Typ zum anderen, während sie sich verschränken und miteinander kollidieren.

Das Forschungsteam beobachtete eine Signatur nicht-abelscher Anyons: Wenn zwei von ihnen ausgetauscht werden, führt dies zu einer messbaren Änderung des Quantenzustands ihres Systems, ein überraschendes Phänomen, das noch nie zuvor beobachtet wurde. Gleichzeitig demonstrierte das Forschungsteam auch, wie das Weben nichtabelscher Anyons im Quantencomputing genutzt werden kann. Durch die Verflechtung mehrerer nichtabelscher Anyons konnten sie einen Zustand der Quantenverschränkung erzeugen, der als Greenberger-Horne-Zeilinger-Zustand bekannt ist.

„Es wird sehr interessant sein zu sehen, wie nicht-abelsche Anyons in Zukunft im Quantencomputing eingesetzt werden und ob ihr besonderes Verhalten der Schlüssel zum fehlertoleranten topologischen Quantencomputing sein kann“, sagte Trond Andersenyu vom Quantum AI Team.

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