Исследователи из Чикагского университета, Гарвардского университета, Университета Стоуни-Брук и компании Quantinuum впервые экспериментально показали, что необычные квантовые объекты — неабелевы анионы — могут обеспечить полный набор операций для универсальных квантовых вычислений. Результаты работы опубликованы в журнале Nature. Эксперимент провели на ионном процессоре H2 компании Quantinuum, использовав 54 запутанных кубита.
«Мы продемонстрировали так называемый универсальный набор вентилей — это означает, что если хранить информацию в этих возникающих версиях кварков и перемещать их, можно выполнить любые необходимые квантовые вычисления», — сказал соавтор исследования Рубен Верресен, доцент молекулярной инженерии в Чикагском университете.
Неабелевы анионы не существуют как обычные отдельные частицы. Их создают внутри квантовых схем, объединяя множество стандартных кубитов в коллективное состояние, которое ведёт себя как новый тип частицы. Информация распределяется между запутанными кубитами, благодаря чему получает естественную защиту от части внешних возмущений. При перемещении одного аниона вокруг другого его внутреннее состояние меняется, причём результат зависит от последовательности таких действий — этот процесс называют плетением.
Одного плетения для универсальных вычислений оказалось недостаточно. В 2024 году команда с участием Верресена создала на ионном компьютере Quantinuum анионы, связанные с симметрией D4 — вращениями и отражениями, сохраняющими квадрат неизменным, однако полученная система не позволяла выполнять все необходимые операции. В новой работе учёные использовали симметрию S3, соответствующую вращениям и зеркальным отражениям равностороннего треугольника, и дополнили плетение слиянием: два аниона соединяли, после чего измеряли итоговое состояние.
На основе пар анионов исследователи сформировали топологические кутриты — носители трёх уровней квантовой информации вместо двух, как у обычного кубита. Сочетание плетения и слияния позволило получить запутывающий вентиль и два вида измерений. В совокупности эти операции теоретически дают возможность реализовать любое квантовое преобразование.
Работа также указывает на возможный способ сократить затраты на коррекцию ошибок. В современных квантовых системах для универсальных вычислений часто применяют специальные «магические состояния», получение которых требует ресурсоёмкой дистилляции. Неабелевы коды могут позволить создавать такое состояние непосредственно с помощью топологических операций, однако активную коррекцию ошибок в эксперименте пока не включали. «Пока мы игнорировали вопрос коррекции ошибок. Здесь это скорее доказательство принципа», — отметил Верресен. По словам научного руководителя и управляющего директора мюнхенского офиса Quantinuum Хенрика Дрейера, в будущем такой подход может дать возможность выполнять отказоустойчивые вычисления без дистилляции или культивирования магических состояний.