芝加哥大学 Pritzker 分子工程学院、Harvard、Stony Brook 大学和 Quantinuum 的研究人员，已通过实验展示了基于非阿贝尔任意子的通用量子计算所需的全部操作。这项发表于 Nature 的研究首次通过实验证明，这种方法能够提供一套足够运行不同量子算法的操作。
由于量子计算机对错误极其敏感，信息通常会分散到大量物理量子比特中。然而，纠错方法并不会自动提供对受保护信息进行通用计算所需的全部操作。为弥补这一缺陷而使用的“魔态”需要通过称为魔态蒸馏的昂贵过程生成，而这一过程可能会消耗大量量子比特。研究人员表示，非阿贝尔编码可以省去这一阶段。
非阿贝尔任意子并不是以独立粒子的形式存在于自然界中，而是通过大量传统量子比特的纠缠在量子电路中生成的。当一个任意子围绕另一个任意子移动时，它们内部状态发生变化，信息便通过这一变化得到处理。在这种“编织”操作中，移动的顺序十分重要。信息分散到大量纠缠量子比特中，也能使其免受一些微小扰动的影响。
2024年，研究人员曾在 Quantinuum 的囚禁离子量子计算机中，生成与保持正方形旋转和反射的 D4 对称群相关的任意子。然而，仅靠编织并不足以实现通用计算。在这项新研究中，团队利用保持等边三角形旋转和镜像反射的 S3 对称性，在 Quantinuum 的 H2 处理器上使用 54 个纠缠量子比特生成了任意子。
S3 系统中的通用性依赖于将编织与“融合”操作结合使用。在这一操作中，两个任意子被合并，并对由此产生的状态进行测量。团队没有使用二能级量子比特，而是构建了携带三个信息能级的拓扑 qutrit。通过编织实现一个纠缠门，通过融合实现两种不同的测量。这三种工具结合起来，原则上可以实现任何量子操作，包括编织单独无法完成的操作。
实验还通过拓扑操作直接生成了魔态，但没有实施主动错误纠正。研究人员表示，下一阶段是将这些操作与主动错误纠正结合起来。
为何重要
这项研究的重要性在于，它展示了一种可能替代魔态蒸馏的方法，而后者被用于提供通用量子计算所需的多样化操作。这一方法提出了一个问题：在处理分散于错误纠正系统中大量物理量子比特的信息时，是否可以减少所需的资源。研究结果为研究人员和开发量子硬件的团队开辟了一个新的研究领域，其目标是使量子算法不再局限于特定操作。不过，该实验没有在操作过程中主动测试这种方法抵御微小扰动的能力。因此，尚待回答的问题是，所展示的操作在与主动错误纠正结合后，能够在多大程度上实现可靠且资源高效的应用。