四十年前，弗蘭克·威爾切克在思考一種奇特的粒子，這種粒子隻能在二維宇宙中生存。經計算，威爾切克發現這些理論上的粒子擁有超凡的記憶，這種記憶深深地融入了宏觀現實，任何幹擾都無法抹去。
研究人員在過去的三十年左右的時間裡花費了數百萬美元試圖捕獲并這種被稱為非阿貝爾任意子（non-abelian anyons）的粒子。現在，兩個具有裡程碑意義的論文終于 實作了這一目标。
首先，實體學家最近宣布，他們已經利用最先進的處理器，合成并操控了非阿貝爾任意子。
其次，這個實驗基于去年秋天谷歌的研究人員提出的一個概念性證明，即資訊可以在非阿貝爾任意子共享的記憶中儲存和操控。
這兩篇論文展示了量子裝置日益增長的能力，同時提供了對未來量子計算的窺視：通過保持在空間和時間中旅行的幾乎不可破壞的記錄，非阿貝爾任意子可能是建立量子計算機的最佳方案。
平面計算（Flatland Computing）
1982年，威爾切克幫助實體學家們拓展了思維，了解了在二維空間中可能存在的各種粒子。他研究了将量子法則限制在一個完全平坦的假想宇宙中的情況，發現這個宇宙中将包含帶有分數自旋和電荷（fractional spins and charges）的奇怪粒子。盡管這些粒子在一些方面可能無法區分，但是在二維實體系統中，交換它們的位置可能會改變它們的狀态，這在三維實體系統中是無法實作的。威爾切克将這些二維粒子命名為任意子（anyons），因為它們似乎幾乎可以做任何事。
威爾切克關注的是最簡單的阿貝爾任意子（abelian anyons），這些粒子在交換時會以無法檢測的微妙方式發生變化。
他沒有探索更奇特的例子——非阿貝爾任意子，即共享記憶的粒子。交換兩個非阿貝爾任意子的位置會産生直接可觀察的效應。這會改變它們共享的波函數狀态，波函數是描述系統量子性質的量。如果你遇到兩個相同的非阿貝爾任意子，通過測量它們處于哪種狀态，你可以判斷它們是否一直處于這些位置，或者它們的路徑是否交叉 —— 這是其他任何粒子都無法做到的。
這個概念似乎太過奇特，無法發展成為一個正式的理論。
但是在1991年，兩位實體學家找到了這些狀态。他們預測，當受到足夠強的磁場和足夠低的溫度的影響，電子會以恰當的方式旋轉，形成非阿貝爾任意子。這些任意子不會是基本粒子（3維世界禁止這樣），它們是“準粒子（quasiparticles）”。準粒子是粒子的集合，但最好将它們視為單獨的機關。準粒子有精确的位置和行為，就像水分子集合産生波浪和漩渦一樣。
在1997年，加利福尼亞理工學院的理論家阿列克謝·基塔耶夫指出，這樣的準粒子可以為量子計算機打下完美的基礎。但是，量子計算機的建構塊——量子比特，很脆弱。他們的波函數在最輕微的擾動下就會坍塌，進而抹去他們的記憶和執行量子計算的能力。這種脆弱性使得量子計算難以實作。。
基塔耶夫意識到，非阿貝爾任意子的共享記憶可以作為理想的量子比特。首先，它是可塑的。可以通過以稱為“編織（braiding）”的方式交換任意子的位置來改變量子比特的狀态——将零翻轉為1。
你還可以讀出量子比特的狀态。例如，當最簡單的非阿貝爾型任意子聚集在一起并“融合”時，隻有在它們被編織在一起的情況下，它們才會發出另一個準粒子。這個準粒子作為他們在空間和時間中交叉行進的實體記錄。
最重要的是，記憶幾乎無法被破壞。隻要任意子保持足夠的距離，對任何單個粒子的觸碰都不會改變這對粒子所處的狀态——無論是0還是1。這樣，他們的集體記憶實際上與宇宙的噪聲隔離開來。這是隐藏資訊的完美地方。
難以駕馭的電子
基塔耶夫的提議被稱為“拓撲”量子計算（“topological” quantum computing），因為它依賴于編織的拓撲結構。這個術語指的是編織的廣泛特征——例如，旋轉的次數——這些特征不受他們路徑的任何特定變形的影響。大多數研究人員現在都相信，編織是量子計算的未來。例如，微軟公司有研究人員正在試圖讓電子直接形成非阿貝爾任意子。微軟已經投入了數百萬美元來制造微小的電線，這些電線在足夠低的溫度下，應該能在其頂部生成可編織的最簡單種類的準粒子。
預期是，在這些低溫下，電子會自然地聚內建任意子，然後可以編織成可靠的量子比特。然而，經過十年的努力，這些研究人員仍在努力證明他們的方法是有效的。将電子轉變為非阿貝爾任意子的努力已經停滞不前。
然而，駕馭電子并不是制造非阿貝爾準粒子的唯一方式。
相容的量子比特
量子處理器正在改變尋找任意子的方式。近年來，研究人員已經開始使用這些裝置來控制單個量子比特，而不是試圖讓大量的電子一緻行動。有些實體學家認為這些努力是模拟，因為處理器内的量子比特是粒子的抽象（雖然它們的實體性質因實驗室而異，但你可以将它們視為圍繞軸旋轉的粒子）。但是量子比特的量子性質是真實的，是以——無論是否是模拟——這些處理器已經成為了進行拓撲實驗的最佳空間。
在量子處理器上合成任意子是利用基塔耶夫的編織理論的另一種方式：接受量子比特不完美，并糾正他們的錯誤。劣質的量子比特壽命不長，是以由他們建構的任意子也會有短暫的壽命。夢想是快速且反複地測量量子比特群，并在錯誤出現時立即糾正，進而延長任意子的壽命。測量會通過塌縮其波函數并将其變成經典比特，進而擦除單個量子比特的量子資訊。但重要的資訊會保持不可觸及——隐藏在許多任意子的集體狀态中。通過這種方式，谷歌和其他公司希望通過快速測量和快速糾正（而不是低溫）來加強量子位。
谷歌在2021年春天向量子錯誤糾正邁出了重要一步，當時研究人員将大約24個量子比特組裝成最簡單的能夠進行量子錯誤糾正的網格，這是一種被稱為環面編碼（toric code）的物質相（phase of matter）。
在谷歌的處理器上建立環面編碼相當于通過輕輕地用微波脈沖推動它們，使每個量子比特與其相鄰的量子比特嚴格合作。在不進行測量的情況下，量子比特指向多個可能的方向的疊加态。谷歌的處理器通過使每個量子比特以特定方式與其四個相鄰量子比特協調其自旋軸，有效地減少了這些選項（量子比特可能指向的各種方向）。雖然環面編碼具有可用于量子錯誤糾正的拓撲特性，但它本身不包含非阿貝爾準粒子。為此，谷歌不得不求助于理論家們早已知道的一個奇怪技巧：量子比特網格中的某些缺陷被稱為“扭曲缺陷”，它們可以獲得非阿貝爾準粒子。
去年秋天，康奈爾大學的理論家金恩阿和尤裡·連斯基（Yuri Lensky）以及谷歌的研究人員釋出了一種在環面編碼中輕松制作和編織缺陷對的方案。
在此之後釋出的預印本中，谷歌的實驗人員報告了實施這個方案想法，包括切斷相鄰量子比特之間的連接配接。量子比特網格中的缺陷就像最簡單的非阿貝爾準粒子，微軟的 Majorana 零模式。
編織量子資訊：通過仔細操縱量子比特之間的連接配接，研究人員能夠将物體與它們過去的記憶編織在一起。
第一步：
第二步：
第三步：
第四步：
通過調整他們切斷的連接配接，研究人員可以控制變形。他們制作了兩對非阿貝爾缺陷，并在一個五乘五量子比特的網格上滑動它們，勉強編織出了一個辮子。
通過測量作畫
與此同時，哈佛大學的 Ashvin Vishwanath 上司的一群理論家正在追求更高的目标：在一種更複雜的量子物質相中創造真的非阿貝爾任意子，這些準粒子在原始的物質相中自然生成。相比之下，谷歌的“缺陷”就像一個嬰兒級的非阿貝爾東西。
兩種類型的任意子都在具有拓撲特性的物質相中，這種拓撲性質由錯綜複雜的量子糾纏定義。處于糾纏狀态的粒子表現出協同的行為，當萬億粒子處于糾纏狀态時，它們可以在複雜的相位中波動。在具有拓撲順序的相位中，糾纏使粒子組織成對齊的自旋環。當一個環被切割時，每個端點就是一個任意子。
拓撲順序有兩種類型。像環面編碼這樣的簡單相具有“阿貝爾順序”，松散的末端是阿貝爾任意子。但是尋求真正的非阿貝爾任意子的研究人員将他們的目标設定在了一個完全不同的，更為複雜的織物上，它具有非阿貝的順序。
2021年，Vishwanath的小組幫助建立了一個具有阿貝爾順序的相。但是将量子比特編織成非阿貝爾糾纏模式對今天的不穩定處理器來說過于複雜。是以，這個團隊仔細研究了文獻，以尋找新的想法。
他們在兩篇論文中找到了一個線索：
通常，我們需要謹慎地處理量子比特，這就像整理枕頭，你必須小心翼翼，以免枕頭的填充物從縫隙中飛出。換句話說，你需要以一種柔和的方式進行操作以保持量子态的完整性。同時，通過這些"單元"（unitary）操作，即保持系統整體性質不變的操作，來仔細編織量子比特之間的糾纏關系，這個過程需要花費時間。
然而，在2000年初，實體學家羅伯特·勞森多夫找到了一種快捷方式，那就是利用測量來移除部分的波函數。在量子力學中，測量通常會導緻量子态的坍縮，消除了量子的特性。但勞森多夫發現，他可以用這個特性作為一個工具，通過有目的的測量來更快地調整量子态，進而在某種程度上加快計算過程。
勞森多夫和他的合作者較長的描述了如何通過對特定的量子比特進行選擇性測量，将一個非糾纏狀态有意地轉變為一個糾纏狀态。
這種技術有一個缺點，最初它使研究人員無法制造出非阿貝爾相：測量會産生随機的結果。當理論家們瞄準一個特定的相時，測量使非阿貝爾任意子随機地散落在各處，就好像研究人員試圖通過将顔料濺在畫布上來畫出蒙娜麗莎。
在2021年底，Vishwanath的小組找到了一個解決方案：通過多輪測量來雕刻量子比特網格的波函數。他們通過第一輪操作将一個普通的物質相轉變為了一個簡單的阿貝爾相。然後，他們将這個階段的結果輸入到第二輪的測量中，進一步地塑造出一個更複雜的物質相。通過玩這種拓撲結構的遊戲，他們意識到他們可以在逐漸前進的同時處理随機性。通過一步步攀登越來越複雜的相階梯，最終達到非阿貝爾順序的階段。
去年夏天，這個小組在Quantinuum的H1離子處理器上對他們的理論進行了測試，這是少數幾個可以即時進行測量的量子裝置之一。就像Google的小組一樣，他們制造了阿貝爾的環形編碼，并編織了其非阿貝爾的缺陷。他們試圖達到非阿貝爾相，但是隻有20個量子比特無法達到。
他們的實驗标志着對非阿貝爾物質相的第一次無可争辯的檢測。實作一個非阿貝爾的拓撲順序是人們長期以來一直想做的事情，這是一個重要的裡程碑。
他們的工作最終在三對非阿貝爾任意子的編織上達到了頂峰，使得他們在空間和時間中的軌迹形成了一種被稱為Borromean環的圖案，這是第一次編織非阿貝爾任意子。三個Borromean環在一起時是不可分的，但如果你切開一個，其他兩個就會分開。
前景
在量子處理器上建立拓撲相就像通過堆疊幾十個水分子來制造世界上最小的冰塊。這些實驗最令人興奮的方面是它們對量子計算的意義：研究人員終于表明，他們可以制造必要的配料。現在他們隻需要找出如何真正将它們投入使用。一個問題是，任意子有大量不同的種類，每個種類都有自己的優點和缺點。例如，有些人對他們的過去有更豐富的記憶，使他們的編織更具有計算能力。
下一個裡程碑将是真正的錯誤糾正，這是谷歌和Quantinuum都未嘗試過的。他們編織的量子比特是隐藏的，但并未受到保護，這将需要測量下層的劣品質子比特并實時快速修複其錯誤。這樣的示範将是量子計算的分水嶺時刻，但這可能還需要幾年的時間。
在此之前，樂觀主義者希望最近的這些實驗将開啟一個循環，其中更先進的量子計算機能夠更好地控制非阿貝爾準粒子，而這種控制反過來又能幫助實體學家開發更有能力的量子裝置。
來源：quantamagazine