一台实用的量子计算机必须最终能够处理任何类型的量子算法，就像传统笔记本电脑能够运行多种不同的软件一样。研究人员现已通过一种被称为的特殊量子对象，展示了实现这种灵活性的新方法。
来自芝加哥大学普利兹克分子工程学院（UChicago PME）、哈佛大学、纽约州立大学石溪分校以及
"我们展示了所谓的
绕过昂贵量子纠错的潜在捷径
这一策略的意义不仅在于帮助打造通用量子计算机，它还可能为构建可靠的量子机器提供更高效的途径。
量子计算机极易出错，因此研究人员通常通过将信息分散存储在众多物理量子比特中来加以保护。这类纠错方法能够保存数据，但通常无法为受保护的信息提供执行通用量子计算所需的全部操作。
为填补这一空白，工程师们常常依赖被称为"魔法态"的特殊制备资源。生产这些资源通常需要一个称为"蒸馏"的密集纯化过程，这一过程可能会消耗量子计算机大量可用的量子比特资源。新的研究结果表明，非阿贝尔任意子可能提供一种绕过这一昂贵步骤的途径。
"非阿贝尔编码是量子纠错竞赛中的一匹黑马，"该研究论文的合著者、Quantinuum慕尼黑办公室总经理兼科学负责人
非阿贝尔任意子的独特之处
普通量子比特利用两个基本态以及这些态的量子叠加组合来编码信息。而非阿贝尔任意子的工作方式则截然不同。
这些任意子并非以自然界中普通独立粒子的形式出现。相反，科学家们是在量子电路内部，通过将大量传统量子比特纠缠在一起形成一种集体状态来创造出它们，这种集体状态表现得就像一种拥有自身独特规律的新型粒子。
"我理解这些编码的方式是，它们创造出了一个个微型宇宙——虽是另类的宇宙，但却反映了我们自身宇宙的某些特性，"维雷森说道。
每个非阿贝尔任意子都携带一个内部状态，当一个任意子围绕另一个任意子移动（这一过程被称为"编织"）时，其内部状态会发生变化。这些
由于信息分散存储在众多纠缠的量子比特中，而非集中于单一位置，它也能够自然地免受一些经常干扰传统量子比特的微小扰动的影响。对任意子进行编织操作同样能够执行计算功能。
为何仅靠编织操作还不够
2024年，一个包括维雷森在内的研究团队使用Quantinuum的离子阱计算机，创造出了与被称为D4的对称群相关的任意子——D4对称群指的是使正方形保持不变的旋转和反射操作，这首次在量子硬件上展示了这种非阿贝尔序。
那次实验表明，这种特殊粒子可以被创造和操控，但仅靠编织操作还不足以完成通用量子计算所需的全部操作。
"在那项工作中，我们并没有证明那些新兴的作用力足以完成量子计算，"维雷森说。"我们所创造的那个特定'宇宙'的能力还不够强大。"
解锁通用量子运算
在这项新研究中，研究人员转向了另一种被称为S3的对称群——即使等边三角形保持不变的旋转和镜像翻转操作，并在Quantinuum的H2上使用54个纠缠的量子比特创造出了相应的任意子。
S3系统具备实现通用量子计算所需的特性，但前提是编织操作必须与另一种称为"融合"的操作相结合。在融合过程中，两个任意子被聚合在一起，随后对产生的状态进行测量。
这一底层概念最早由于2003年在理论上提出，他当时是加州理工学院约翰·普雷斯基尔的学生。然而，要将这一理论构想转化为能够在量子硬件上真正运行的实验，还需要大量额外的理论和实验工作。
研究人员利用成对的任意子编码了"拓扑量子三态"，这种量子态能存储三种可能的量子内容层级，而非普通量子比特所使用的两种层级。
通过将不同的编织和融合操作相结合，研究团队展示了三种关键工具：一种通过编织产生的纠缠门，以及两种通过融合创造的不同测量方式。这些操作组合起来，原则上能够产生任何量子操作，包括仅靠编织操作无法实现的操作。
除了在计算方面的潜在应用外，这些特殊的量子态还可能帮助研究人员探索物理学的基础层面问题。
"看到我们在博士期间深入思考的想法在实验室中得以实现，令人倍感欣慰，而这一切都得益于过去几年量子硬件领域取得的显著进展，"哈佛大学阿什温·维什瓦纳特研究组的研究生阿纳苏亚·里昂斯和赵凡·鲍文·罗说道，两人都是这项研究的重要参与者。
迈向容错量子计算机
研究人员还展示了非阿贝尔任意子能够通过拓扑操作直接生成魔法态——从而绕开了大多数量子系统中所采用的昂贵蒸馏过程。
此次实验尚未纳入主动纠错机制。相反，研究人员将重点放在测试该方法的各个基本构建模块上，并确认这些模块能够生成符合理论预期的魔法态。
"到目前为止，我们暂未涉及纠错问题。就目前而言，这更像是一次原理验证，"维雷森说道。
下一个重要步骤将是把这些操作与主动纠错机制相结合。如果这一目标能够实现，非阿贝尔任意子最终可能成为构建大规模容错量子计算机的实用基础。维雷森目前已经与UChicago PME的其他研究人员合作，共同研究用于稳定非阿贝尔量子存储器的新技术。
Q&A
Q1：非阿贝尔任意子是什么？
A：非阿贝尔任意子并非自然界中天然存在的独立粒子，而是科学家在量子电路中通过将大量传统量子比特纠缠在一起所创造出的一种集体量子状态，这种状态的行为表现得如同一种拥有独特规律的新型粒子。
Q2：这项研究的最大突破是什么？
A：研究团队首次通过实验证明，基于非阿贝尔任意子的编织和融合操作组合，能够构成实现通用量子计算所需的完整门集，且原则上可以不依赖成本高昂的魔法态蒸馏过程。
Q3：这项技术距离实际应用还有多远？
A：目前该实验尚未纳入主动纠错机制，仅是原理验证阶段。下一步需要将这些操作与主动纠错相结合，才能让非阿贝尔任意子成为大规模容错量子计算机的实用基础。