量子運算取得革命性突破！ Google Quantum AI發現編織非阿貝爾任意子

5月19日 Google研究團隊Google Quantum AI日前表示，首次觀察到編織的非阿貝爾任意子（Non-Abelian Anyons），這一突破可能會為量子計算帶來革命性的變化，使其對雜訊的魯棒性更強，並為拓樸量子運算開闢了一條新途徑。

根據人們的直覺，不可能看到兩個相同的物體是否交換過，而迄今為止觀測到的所有粒子都是如此。

Google Quantum AI研究人員首次觀察到編織非阿貝爾任意子的奇異效果

非阿貝爾任意子（唯一被預測會打破這一規則的粒子）之所以受到研究人員的關注，是因為其迷人的特性以及透過操作對雜訊的魯棒性更強而徹底改變量子計算的潛力。微軟和其他公司選擇了這種方法來研究量子運算。但這領域的研究人員為此付出了幾十年的努力，因此觀察非阿貝爾任意子及其奇異的行為具有很大的挑戰性。

Google Quantum AI對非阿貝爾任意子的發現、研究及觀察

在5月11日發表在《自然》雜誌上的一篇論文中，Google Quantum AI的研究人員宣布，他們首次使用超導量子處理器之一觀察到了非阿貝爾任意子的特殊行為。他們也示範如何利用這種現象進行量子計算。在本週早些時候，量子計算公司Quantum發布了另一份關於此主題的研究報告，為Google Quantum AI的發現提供了補充。這些結果為拓樸量子計算開闢了一條新途徑，在拓樸量子運算中，其操作是透過將非阿貝爾任意子像辮子一樣纏繞在一起來實現的。

Google Quantum AI的團隊成員、論文的第一作者TrondI Andersen說:「首次觀察到非阿貝爾任意子的奇異效果，確實突出了我們現在可以用量子計算機訪問的令人興奮的現象。」

他表示，可以想像一下，人們同時觀察兩個相同的物體，然後閉上眼睛，在睜開眼睛之後，看上去仍是一模一樣的兩個物體，那麼是否確定它們已經被相互交換？直覺告訴人們，如果兩個物體真是相同的，那就沒有辦法分辨。

量子力學也支持這種直覺，但僅限於人們熟悉的三維世界。如果相同的物體被限制在二維的平面上運動，人們的直覺有時可能會失效，量子力學允許一些奇怪的事情發生：非阿貝爾任意子保留了一種記憶——儘管非阿貝爾任意子完全相同，但有可能分辨出它們中的兩個在什麼時候交換過。

這種"記憶"被視為時空中的連續線，可以被稱為非阿貝爾任意子粒子的"世界線"。當兩個非阿貝爾任意子交換時，它們的「世界線」相互纏繞。正確地編織它們，結合和編織可以建立拓撲量子電腦的基本操作。

團隊首先準備了一個糾纏量子態的超導量子位元，這種糾纏量子態被很好地用「棋盤」來表示——這對谷歌研究團隊來說是一種熟悉的配置，他們最近展示了使用這種設定進行量子糾錯的里程碑。出現了一種粒子在棋盤排列中被稱為阿貝爾任意子，儘管相關性不太強，但不太有用。

為了觀察非阿貝爾任意子的行為，研究人員拉伸並壓縮了量子位元的量子態，將方格圖案轉換成形狀奇怪的多邊形。這些多邊形中的特定頂點承載著非阿貝爾任意子。該團隊使用康乃爾大學的物理學教授Eun-Ah Kim和前博士後Yuri Lensky開發的協議，可以透過繼續變形晶格和移動非阿貝爾頂點的位置來移動非阿貝爾任意子。

在一系列實驗中，Google的研究人員觀察了這些非阿貝爾任意子的行為，以及它們如何與更普通的阿貝爾任意子相互作用。將兩種類型的粒子纏繞在一起產生了奇怪的現象——當粒子纏繞在一起碰撞時，它們神秘地消失了，然後又出現了，並且從一種類型變成了另一種類型。最重要的是，Google Quantum AI研究小組觀察到了非阿貝爾任意子的特徵：當其中兩個非阿貝爾任意子被交換時，會導致它們系統的量子態發生可以測量的變化——這是一個以前從未觀察到的驚人現象。

最後，團隊示範如何將非阿貝爾任意子編織在量子運算中。透過將幾個非阿貝爾任意子編織在一起，他們能夠創造出一種眾所周知的量子糾纏態，稱為格林伯格-霍恩-塞林格(GHZ)態。

微軟及量子運算公司Quantum也正在研究非阿貝爾任意子

微軟選定的研究方法核心是研究非阿貝爾粒子的物理學，以應用於其量子運算工作。當他們試圖設計出承載這些任意子的材料系統時，Google的研究團隊現在已經證明，同樣類型的物理學可以在他們的超導處理器上實現。

量子計算公司Quantum最近發布了一項令人印象深刻的研究，該研究也展示了非阿貝爾編織，在這種情況下使用了一個捕獲離子量子處理器。 Andersen欣喜地註意到其他量子計算小組也在研究非阿貝爾編織。他說：「在未來的量子計算中如何使用非阿貝爾任意子，以及它們的特殊行為是否能成為容錯拓撲量子計算的關鍵，這將是非常有趣的一項研究。」

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