新方法讓任意子具備通用量子計算能力

科技日報記者 張佳欣

據最新一期《自然·通訊》雜誌報道，美國南加州大學領銜的研究團隊提出一種實現通用拓撲量子計算的新方法，只需引入一種過去被視為無用的粒子，便可使原本計算能力受限的伊辛任意子具備通用性。這為構建更加穩健、抗干擾的量子計算機提供了關鍵拼圖。

現階段量子計算設備面臨的最大難題之一，是用於儲存和處理信息的量子比特極易受干擾。為克服這一挑戰，科學家提出將信息編碼在某些奇異粒子的幾何屬性中，來實現更強的抗干擾能力。這些粒子被稱為“任意子”，理論上存在於某些二維材料中。它們比傳統量子比特抗干擾能力更強，更加穩健可靠。

其中，伊辛任意子的粒子因其穩定性和可控性，成為目前的熱門研究對象。但僅靠伊辛任意子還無法構建通用量子計算機，因為它們要通過將粒子繞來繞去以實現量子邏輯門。它們只能完成一組稱為“克里福德門”的基本運算，遠不足以支持任意複雜度的量子算法。

此次，團隊發現，只需添加一種曾被數學模型“拋棄”的任意子粒子，就能使伊辛任意子的“編織”操作實現通用計算。他們將這種重新啓用的粒子命名為“neglecton”，意為“被忽視的粒子”。研究指出，這種新任意子是從更廣泛的數學框架中自然湧現的，恰好填補了原有計算能力中的“缺口”。

不過，這一框架也帶來新的挑戰：非半單模型在數學上不符合量子力學中“概率守恆”的基本原則。對此，團隊設計出一種“局部隔離”策略，將這些數學異常區域與實際運算區域隔離開。研究團隊形象地比喻稱，這種設計就像是在一座結構不穩定的房子中搭建計算系統，他們並未試圖修復每一個存在問題的“房間”，而是通過精心設計，使所有關鍵計算都發生在結構穩固的區域，從而確保整體運算的可靠性。