Исследователи из Школы молекулярной инженерии Pritzker Чикагского университета, Harvard, Stony Brook University и Quantinuum экспериментально продемонстрировали полный набор операций, необходимых для универсальных квантовых вычислений на основе неабелевых анионов. Работа, опубликованная в Nature, представила первые экспериментальные доказательства того, что этот подход способен обеспечить достаточно широкий набор операций для выполнения различных квантовых алгоритмов.
Поскольку квантовые компьютеры крайне чувствительны к ошибкам, информация обычно распределяется между большим числом физических кубитов. Однако методы коррекции ошибок сами по себе не обеспечивают все операции, необходимые для универсальных вычислений над защищённой информацией. Для устранения этого пробела требуется генерировать «магические состояния» — затратный процесс, называемый дистилляцией магических состояний, который может потреблять большое количество кубитов. Исследователи отметили, что неабелевы коды могут устранить этот этап.
Неабелевы анионы не существуют в природе как независимые частицы; они создаются в квантовых схемах за счёт запутывания большого числа обычных кубитов. Информация обрабатывается посредством изменения внутренних состояний анионов, когда один из них перемещается вокруг другого. В этих операциях «плетения» порядок перемещений имеет значение. Распределение информации между большим числом запутанных кубитов также может защищать её от некоторых небольших возмущений.
В 2024 году исследователи создали анионы на квантовом компьютере Quantinuum с ионной ловушкой, связанные с группой симметрии D4, сохраняющей вращения и отражения квадрата. Однако одного лишь плетения было недостаточно для универсальных вычислений. В новой работе команда использовала симметрию S3, сохраняющую вращения и зеркальные отражения равностороннего треугольника, и создала анионы на процессоре H2 компании Quantinuum с помощью 54 запутанных кубитов.
Универсальность в системе S3 основана на использовании плетения вместе с операцией «слияния». В ходе этой операции два аниона объединяются, а получившееся состояние измеряется. Вместо двоичных кубитов команда создала топологические кутриты, несущие три уровня информации. С помощью плетения была реализована запутывающая операция, а с помощью слияния — два разных измерения. Вместе эти три инструмента в принципе позволяют выполнять любую квантовую операцию, включая те, которые невозможно выполнить одним лишь плетением.
В эксперименте также удалось напрямую получить магическое состояние с помощью топологических операций, однако активная коррекция ошибок не применялась. Исследователи отметили, что следующим этапом станет объединение этих операций с активной коррекцией ошибок.
Почему это важно
Важность работы заключается в том, что она демонстрирует возможную альтернативу дистилляции магических состояний, используемой для обеспечения разнообразия операций, необходимого в универсальных квантовых вычислениях. Такой подход поднимает вопрос о том, можно ли сократить ресурсы, требуемые для обработки информации, распределённой между большим числом физических кубитов в системах с коррекцией ошибок. Результаты открывают новое направление для изучения как исследователями, так и командами, разрабатывающими квантовое оборудование, в контексте цели не ограничивать квантовые алгоритмы лишь определёнными операциями. Вместе с тем эксперимент не проверял непосредственно в ходе выполнения операций способность метода защищать от небольших возмущений. Поэтому открытым остаётся вопрос о том, насколько надёжными и реализуемыми с точки зрения ресурсов окажутся продемонстрированные операции при их объединении с активной коррекцией ошибок.