物理学家创造出记忆过去的难以捉摸的粒子

四十年前，弗兰克·威尔切克 (Frank Wilczek) 正在研究一种只能存在于平坦宇宙中的奇异粒子。 如果他把笔写在纸上并进行计算，Wilczek 就会发现这些当时还处于理论阶段的粒子对它们的过去有着超凡脱俗的记忆，这些记忆已经完全融入现实的结构中，任何干扰都无法抹去它。

然而，由于认为大自然没有理由允许这种奇怪的野兽存在，这位未来的诺贝尔奖获得者物理学家选择不跟随他的思想实验得出最古怪的结论——尽管他的合作者 Anthony Zee 反对，Anthony Zee 是一位著名的理论物理学家。加州大学圣巴巴拉分校。

“我说，‘来吧，托尼，人们会取笑我们的，’”说 维尔切克，现为麻省理工学院教授。

其他人并没有那么不情愿。 在过去三十年左右的时间里，研究人员花费了数百万美元试图捕获和驯服粒子状物体，这些物体被称为非交换任意子的神秘绰号。

现在两个里程碑式的实验终于成功了，笑不出来了。 “这一直是一个目标，现在它被击中了，”Wilczek 说。

在 Quantinuum 公司工作的物理学家 今天宣布， 他们使用该公司新推出的下一代 H2 处理器来 合成和操纵非交换任意子 在量子物质的新阶段。 他们的工作如下 预印本 去年秋天发表的一篇文章中，谷歌的研究人员庆祝了非阿贝尔对象的第一次清晰交织，这是一个概念证明，信息可以在他们的共享内存中存储和操作。 总之，这些实验展示了量子设备不断增长的力量，同时提供了对计算未来的潜在一瞥：通过维护几乎坚不可摧的空间和时间旅程记录，非阿贝尔任意子可以提供最有前途的平台来构建容错量子计算机。

“作为纯科学，它只是，哇，”说 艾迪斯特恩，以色列魏茨曼科学研究所的凝聚态理论家，他的职业生涯一直在研究这些物体。 “这让你更接近[拓扑量子计算]。 但如果说过去几十年向我们展示了一件事，那就是一条漫长而曲折的道路。”

平面计算

1982 年，Wilczek 帮助物理学家打开了对可能存在于二维空间的粒子群的认识。 他计算出了将量子定律限制在一个假设的、完全平坦的宇宙中的后果，并发现它会包含具有分数自旋和电荷的奇异粒子。 此外，交换在其他方面无法区分的粒子可能会以三维粒子不可能发生的方式改变它们。 维尔切克 厚颜无耻地命名 这些二维粒子任意子，因为它们似乎几乎可以做任何事情。

Wilczek 专注于最简单的“阿贝尔”任意子，这些粒子在交换时会以无法直接检测到的微妙方式发生变化。

他没有探索更大胆的选择——非交换任意子，共享记忆的粒子。 交换两个非交换任意子的位置会产生可直接观察到的效果。 它切换它们共享波函数的状态，波函数是描述系统量子性质的量。 如果你偶然发现两个相同的非阿贝尔任意子，通过测量它们所处的状态，你可以判断它们是否一直处于这些位置，或者它们是否已经交叉——这是其他粒子无法企及的力量。

对于 Wilczek 来说，这个想法似乎太离奇了，无法发展成正式的理论。 “什么样的物质状态支持这些？” 他回忆道。

但在 1991 年，两位物理学家 确定了那些状态. 他们预测，当受到足够强的磁场和足够冷的温度时，粘在表面上的电子会以正确的方式一起旋转形成非交换任意子。 任意子不会是基本粒子——我们的 3D 世界不允许——但是“准粒子” 这些是粒子的集合，但最好将它们视为单个单元。 准粒子具有精确的位置和行为，就像水分子的集合产生波浪和漩涡一样。

1997 年，加州理工学院的理论家 Alexei Kitaev， 指出： 这样的准粒子可以为量子计算机奠定完美的基础。 长期以来，物理学家一直对利用量子世界进行典型计算机及其二进制位无法进行的计算的可能性垂涎三尺。 但是量子比特，即量子计算机的原子构造块，是脆弱的。 他们的波函数会在最轻微的接触下崩溃，抹去他们的记忆和执行量子计算的能力。 这种脆弱性使控制量子比特足够长的时间以完成冗长的计算的野心变得复杂。

Kitaev 意识到非交换任意子的共享内存可以作为理想的量子位。 对于初学者来说，它是可塑的。 您可以通过以一种称为“编织”的方式交换任意子的位置来改变量子位的状态——将零翻转为一。

您还可以读出量子位的状态。 例如，当最简单的非交换任意子聚集在一起并“融合”时，它们只有在编织后才会发射另一个准粒子。 这个准粒子作为他们穿越时空的交叉旅程的物理记录。

至关重要的是，内存也几乎是不可腐蚀的。 只要任意子之间的距离很远，戳任何一个粒子都不会改变这对粒子的状态——无论是零还是一。 这样，他们的集体记忆就有效地与宇宙的喧嚣隔绝了。

“这将是隐藏信息的完美场所，”说 迈萨姆巴克什利，马里兰大学的凝聚态理论家。

不守规矩的电子

Kitaev 的提议后来被称为“拓扑”量子计算，因为它依赖于辫子的拓扑结构。 该术语指的是辫子的广泛特征——例如，圈数——不受其路径的任何特定变形的影响。 大多数研究人员现在认为，无论是哪种形式，辫子都是量子计算的未来。 例如，微软有研究人员试图说服电子直接形成非交换任意子。 该公司已经投资了数百万美元来制造微小的电线——在足够寒冷的温度下——应该在它们的尖端承载最简单的可编织准粒子。 预计在这些低温下，电子会自然聚集形成任意子，进而可以编织成可靠的量子位。

然而，经过十年的努力，这些研究人员仍然 努力证明 他们的方法会奏效。 2018 年一项引人注目的声明称，他们终于检测到了最简单的非阿贝尔准粒子类型，称为“马约拉纳零模式”，随后在 2021 年同样高调撤回。该公司报告了一项新进展 2022 预印本，但很少有独立研究人员期望很快看到成功的编织。

将电子转化为非交换任意子的类似努力也停滞不前。 诺基亚贝尔实验室的鲍勃·威利特 (Bob Willett) 可能是最接近的 在他试图在砷化镓中捕获电子时， 有希望但微妙的迹象 编织存在。 然而，数据杂乱无章，超低温、超纯材料和超强磁场使实验难以重现。

“长期以来一直没有观察到任何东西，”说 恩雅金 康奈尔大学学院。

然而，争论电子并不是制造非阿贝尔准粒子的唯一方法。

“我已经放弃了所有这一切，”Kim 说，他作为一名研究生花了数年时间想出检测任意子的方法，现在与谷歌合作。 “然后是量子模拟器。”

合规量子比特

量子处理器正在改变对任意子的搜寻。 近年来，研究人员并没有试图诱使成群的电子排成一行，而是开始使用这些设备让单个量子比特屈服于它们的意志。 一些物理学家将这些努力视为模拟，因为处理器内的量子位是粒子的抽象（虽然它们的物理性质因实验室而异，但您可以将它们想象成绕轴旋转的粒子）。 但量子位的量子性质是真实的，因此——无论是否模拟——处理器已成为拓扑实验的游乐场。

“它为这个领域注入了新的活力”，他说 菲奥娜伯内尔，明尼苏达大学的凝聚态理论家，“因为制造固态系统非常困难。”

在量子处理器上合成任意子是利用 Kitaev 辫子力量的另一种方法：接受你的量子比特是平庸的，并纠正它们的错误。 今天的劣质量子位不会工作很长时间，因此由它们构建的任意子的寿命也很短。 梦想是快速重复地测量量子比特组，并在它们突然出现时纠正错误，从而延长任意子的寿命。 测量通过折叠其波函数并将其转变为经典位来擦除单个量子位的量子信息。 这也会在这里发生，但重要的信息将保持不可触及——隐藏在许多任意子的集体状态中。 通过这种方式，谷歌和其他公司希望通过快速测量和快速校正（而不是低温）来支持量子比特。

“自从基塔耶夫以来，”说 迈克·扎莱特尔，加州大学伯克利分校的凝聚态物理学家，“这一直是人们认为量子纠错可能起作用的方式。”

谷歌采取 重要的一步 到 2021 年春天进行量子纠错，当时研究人员将大约两打量子比特组装到能够进行量子纠错的最简单的网格中，这是一种被称为复曲面代码的物质相。

在 Google 的处理器上创建复曲面代码相当于通过用微波脉冲轻轻推动它们来迫使每个量子位与其相邻量子位严格合作。 未经测量，一个量子比特指向许多可能方向的叠加。 谷歌的处理器通过让每个量子比特以特定方式与其四个相邻量子比特协调其自旋轴，有效地减少了这些选项。 虽然复曲面代码具有可用于量子纠错的拓扑属性，但它本身并不包含非交换准粒子。 为此，谷歌不得不求助于一个奇怪的把戏 早就知道了 对理论家来说：量子比特网格中的某些缺陷，被称为“扭曲缺陷”，可以获得非交换魔力。

去年秋天，Kim 和康奈尔大学的理论家 Yuri Lensky 以及谷歌研究人员发布了一份食谱 轻松制作 并编织复曲面代码中的缺陷对。 在不久后发布的预印本中，谷歌的实验人员 报告实施 这个想法涉及切断相邻量子位之间的连接。 由此产生的量子比特网格缺陷就像最简单的非阿贝尔准粒子，微软的马约拉纳零模式。

“我最初的反应是‘哇，谷歌刚刚模拟了微软正在尝试构建的东西。 这是一个真正的弯曲时刻，“说 泰勒·埃里森，耶鲁大学物理学家。

通过调整它们切断的连接，研究人员可以移动变形。 他们制造了两对非阿贝尔缺陷，通过将它们绕着一个五乘五的量子位棋盘滑动，他们勉强勉强挤出一条辫子。 研究人员拒绝评论他们正在准备发表的实验，但其他专家称赞了这一成就。

“在我的很多工作中，我一直在涂鸦看起来相似的图片，”埃里森说。 “看到他们实际证明了这一点，真是太神奇了。”

测量油漆

一直以来，一群由 阿什文（Ashvin Vishwanath） 哈佛大学正在悄悄追求一个许多人认为甚至更高的目标：创造一个更复杂的量子物质相，其中真正的非阿贝尔任意子——而不是缺陷——在物质的原始相中自然出现。 “[谷歌的] 缺陷是一种婴儿非阿贝尔的东西，”伯内尔说，他没有参与这两项工作。

两种类型的任意子都生活在具有拓扑性质的物质相中，该拓扑性质由错综复杂的薄纱挂毯定义，量子连接称为 纠葛. 纠缠的粒子以协调的方式表现，当数万亿个粒子纠缠在一起时，它们会在复杂的相位中波动，有时被比作 舞蹈. 在具有拓扑顺序的相中，纠缠将粒子组织成对齐自旋的环路。 当一个循环被切断时，每一端都是一个任意子。

拓扑顺序有两种形式。 复曲面代码等简单相具有“阿贝尔阶”。 在那里，松散的末端是交换任意子。 但是寻找真正的非阿贝尔任意子的研究人员将他们的目光投向了一个完全不同且复杂得多的非阿贝尔秩序挂毯。

Vishwanath 的团队帮助制作了一个 阿贝尔阶相位 2021 年。他们梦想走得更远，但事实证明，对于当今不稳定的处理器来说，将量子位拼接成非阿贝尔纠缠模式过于复杂。 因此，工作人员在文献中寻找新的想法。

他们在一个 对 of 文件 从几十年前。 大多数量子设备通过按摩它们的量子比特来计算，就像一个人可能会拍打枕头一样，以一种温和的方式，没有填充物从接缝处飞出。 通过这些“单一”操作精心编织纠缠需要时间。 但在 2000 年代初期，现在不列颠哥伦比亚大学的物理学家罗伯特·劳森多夫 (Robert Raussendorf) 找到了一条捷径。 秘诀是使用测量来破解波函数的块——通常会杀死量子态的过程。

“这是一次非常暴力的行动，”他说 鲁本·弗雷森（Ruben Verresen），Vishwanath 在哈佛的合作者之一。

Raussendorf 和他的合作者详细说明了对某些量子比特的选择性测量如何能够采取非纠缠状态并有意将其置于纠缠状态，Verresen 将这一过程比作切割大理石来雕刻雕像。

该技术有一个阴暗面，最初注定了研究人员制造非阿贝尔相的尝试：测量产生随机结果。 当理论家们瞄准一个特定的相位时，测量结果让非交换任意子随机散布，就好像研究人员试图通过将颜料泼洒到画布上来绘制蒙娜丽莎一样。 “这似乎是一种彻底的头痛，”Verresen 说。

到 2021 年底，Vishwanath 的团队想出了一个解决方案：通过多轮测量来雕刻量子比特网格的波函数。 在第一轮中，他们将无聊的物质相转变为简单的阿贝尔相。 然后他们将该阶段推进到第二轮测量中，进一步将其凿成更复杂的阶段。 通过玩这个拓扑猫的摇篮游戏，他们意识到他们可以在逐步移动的同时解决随机性问题，爬上阶段越来越复杂的阶梯以达到 具有非交换序的相.

Verresen 说：“与其随机尝试测量并查看结果，不如跳过物质相的景观。” 这是理论家最近才有的拓扑景观 开始明白.

去年夏天，该小组在 Quantinuum 的 H1 俘获离子处理器上对他们的理论进行了测试，这是唯一可以即时执行测量的量子设备之一。 和谷歌小组一样，他们 制定了阿贝尔复曲面代码 并编织其非阿贝尔缺陷。 他们尝试了非阿贝尔相，但仅用 20 个量子位无法实现。

但随后 Quantinuum 的一位研究员 Henrik Dreyer 将 Verresen 搁置一旁。 在通过保密协议向他发誓保密后，他告诉 Verresen 公司有第二代设备。 至关重要的是，H2 拥有惊人的 32 个量子比特。 虽然花了很多功夫，但该团队设法在其中 27 个量子位上建立了最简单的非阿贝尔相。 Vishwanath 说：“如果我们少一两个量子位，我认为我们无法做到。”

他们的实验标志着首次无懈可击地检测到物质的非阿贝尔相。 “实现非阿贝尔拓扑序是人们长期以来一直想做的事情，”伯内尔说。 “那绝对是一个重要的里程碑。”

他们的工作最终形成了三对非交换任意子的编织，这样它们在空间和时间中的轨迹形成了一种被称为 Borromean 环的模式，这是第一个非交换任意子的编织。 三个 Borromean 环在一起时是密不可分的，但如果你切断一个，另外两个就会分开。

“有一种令人惊叹的因素，”Wilczek 说。 “产生这些量子物体需要对量子世界进行巨大的控制。”

大寒

在其他物理学家庆祝这些里程碑的同时，他们也强调谷歌和 Quantinuum 正在与微软和威利特等公司进行一场不同的竞赛。 在量子处理器上创建拓扑相就像通过堆叠几十个水分子来制作世界上最小的冰块——令人印象深刻，他们说，但远不如观看一块冰自然形成那么令人满意。

“基础数学非常漂亮，能够验证这一点绝对值得，”说 切坦纳亚克，微软的一名研究员，在非阿贝尔系统上做过开创性的工作。 但就他而言，他说，他仍然希望看到一个系统在冷却时自行进入一种具有这种复杂纠缠模式的状态。

“如果这在 [Willett 的实验] 中被明确地看到，我们的想法将会被震撼，”Barkeshli 说。 在量子处理器中看到它“很酷，但没有人被震撼到。”

根据 Barkeshli 的说法，这些实验最令人兴奋的方面是它们对量子计算的意义：在 Kitaev 最初提出 26 年后，研究人员终于证明他们可以制造必要的成分。 现在他们只需要弄清楚如何真正让他们工作。

一个障碍是，像神奇宝贝一样，任何人都有大量不同的物种，每个物种都有自己的长处和短处。 例如，有些人对他们的过去有更丰富的记忆，使他们的辫子在计算上更强大。 但哄骗它们存在更难。 任何具体方案都必须权衡此类权衡，其中许多尚未被理解。

Vishwanath 说：“现在我们有能力制定不同类型的拓扑顺序，这些事情变得真实，你可以更具体地讨论这些权衡。”

下一个里程碑将是真正的纠错，谷歌和 Quantinuum 都没有尝试过。 他们编织的量子位被隐藏但没有受到保护，这将需要测量底层的糟糕量子位并实时快速修复它们的错误。 该演示将成为量子计算的分水岭，但它还需要数年时间——如果可能的话。

在那之前，乐观主义者希望这些最近的实验将启动一个循环，在这个循环中，更先进的量子计算机可以更好地控制非阿贝尔准粒子，而这种控制反过来又有助于物理学家开发功能更强大的量子设备。

“只要发挥测量的力量，”Wilczek 说，“这可能会改变游戏规则。”