Потенциал квантовых компьютеров
Квантовые компьютеры способны решать задачи, которые сегодня не под силу даже самым быстрым суперкомпьютерам. Однако современные квантовые машины чрезвычайно хрупкие. Квантовые биты, или «кубиты», которые хранят и обрабатывают информацию, легко нарушаются окружающей средой, что приводит к ошибкам, которые быстро накапливаются.
Топологические квантовые вычисления
Одним из наиболее перспективных подходов к преодолению этой проблемы является топологическое квантовое вычисление, цель которого — защитить квантовую информацию, закодировав её в геометрических свойствах экзотических частиц, называемых энионами. Эти частицы, существование которых предсказано в определённых двумерных материалах, как ожидается, будут гораздо более устойчивы к шуму и помехам, чем обычные кубиты.
Профессор математики, физики и астрономии в Колледже литературы, искусств и наук Университета Южной Калифорнии Аарон Лауда, старший автор исследования, говорит: «Среди ведущих кандидатов для создания такого компьютера — энионы Изинга, которые уже интенсивно исследуются в лабораториях конденсированных сред из-за их потенциальной реализации в экзотических системах, таких как дробное квантовое состояние Холла и топологические сверхпроводники».
Ограничения энионов Изинга
Сами по себе энионы Изинга не могут выполнять все операции, необходимые для универсального квантового компьютера. Вычисления, которые они поддерживают, основаны на «переплетении» — физическом перемещении энионов друг вокруг друга для выполнения квантовой логики. Для энионов Изинга это переплетение позволяет выполнять только ограниченный набор операций, известных как гейты Клиффорда, которых недостаточно для универсальных квантовых вычислений.
Неожиданное решение
Однако в исследовании, опубликованном в Nature Communications, группа математиков и физиков под руководством исследователей из Университета Южной Калифорнии продемонстрировала удивительный обходной путь.
Добавив один новый тип эниона, который ранее был отброшен в традиционных подходах к топологическим квантовым вычислениям, команда показала, что энионы Изинга могут стать универсальными, способными выполнять любые квантовые вычисления только за счёт переплетения.
Команда назвала эти спасённые частицы «неглектонами», что отражает как их забытый статус, так и вновь обретённую важность. Этот новый энион естественным образом возникает из более широкой математической структуры и обеспечивает именно тот недостающий компонент, который необходим для завершения вычислительного инструментария.
🔬 Ключевой момент заключается в новом классе математических теорий, называемых несемистемными топологическими квантовыми теориями поля (TQFTs). Они расширяют стандартные «семистемные» рамки, которые физики обычно используют для описания энионов. Традиционные модели упрощают математику, отбрасывая объекты с так называемым «нулевым квантовым следом», фактически объявляя их бесполезными.
«Но эти отброшенные объекты оказываются недостающей частью», — объяснил Лауда. «Это как найти сокровище в том, что все остальные считали математическим мусором».
Новый фреймворк сохраняет эти забытые компоненты и выявляет новый тип эниона — неглектон, который в сочетании с энионами Изинга позволяет выполнять универсальные вычисления только за счёт переплетения. Ключевым моментом является то, что для этого нужен только один неглектон, который остаётся неподвижным, пока вычисления выполняются путём переплетения энионов Изинга вокруг него.