意大利贵族博罗梅奥家族的盾徽包含一个令人不安的符号：三个互锁环的排列，它们无法拉开，但不包含任何连接的对。
同样的三个方向的连接是量子物理学中最令人垂涎的现象之一的明确标志——现在首次被观察到。研究人员使用量子计算机创建了虚拟粒子并移动它们，使其路径形成博罗梅安环模式。
这些奇异粒子被称为非阿贝尔任意子，或简称非阿贝尔粒子，它们的博罗梅安环仅作为量子计算机内部的信息而存在。但它们的连接特性可能有助于使量子计算机不易出错，或更具“容错性”——这是使其性能超越甚至最好的传统计算机的关键一步。5月9日在预印本上公布的结果1是在Quantinuum公司的一台机器上获得的，该公司是一家位于科罗拉多州布鲁姆菲尔德的量子计算公司，由霍尼韦尔的量子计算部门与一家位于英国剑桥的初创公司合并而成。
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Quantinuum公司总裁兼首席运营官托尼·厄特利说：“这是通往容错量子计算的可信途径。”
其他研究人员对虚拟非阿贝尔粒子彻底改变量子计算的潜力不太乐观，但创造它们本身就被视为一项成就。“这种物理系统具有巨大的数学美感，并且在经历了漫长的等待后，首次看到它们被实现，这令人难以置信，”英国牛津大学的理论物理学家史蒂文·西蒙说。
篮状甜甜圈
在实验中，Quantinuum公司位于德国慕尼黑办公室的物理学家亨利克·德雷尔和他的合作者使用了该公司最先进的机器H2，该机器的芯片可以产生电场，以捕获其表面上方32个镱元素离子。每个离子可以编码一个量子比特，一个量子计算单元，它可以像普通比特一样是“0”或“1”，也可以同时是两种状态的叠加。
Quantinuum公司的方法具有优势：与大多数其他类型的量子比特相比，其陷阱中的离子可以移动并相互作用，这就是量子计算机执行计算的方式。
物理学家利用这种灵活性创造了一种异常复杂的量子纠缠形式，其中所有32个离子共享相同的量子态。通过设计这些相互作用，他们创建了一个虚拟的纠缠晶格，其结构为笼目——一种用于日本竹编的图案，类似于重复重叠的六角星——折叠成甜甜圈形状。纠缠态代表虚拟二维宇宙的最低能量态——本质上是根本不包含粒子的态。但通过进一步的操作，笼目可以被置于激发态。这些对应于应该具有非阿贝尔粒子性质的粒子的出现。
为了证明激发态是非阿贝尔粒子，该团队进行了一系列测试。最确凿的测试包括移动激发态以创建虚拟博罗梅安环。德雷尔说，在操作期间和之后对离子状态的测量证实了该模式的出现。
哈佛大学位于马萨诸塞州剑桥市的理论物理学家、该论文的共同作者阿什文·维什瓦纳特说：“没有两个粒子相互环绕，但它们共同连接在一起。”“这真是一种惊人的物质状态，我们在任何其他装置中都没有非常清晰的实现。”
普渡大学位于印第安纳州西拉法叶的实验物理学家迈克尔·曼弗拉说，尽管结果令人印象深刻，但Quantinuum公司的机器并没有真正创造出非阿贝尔粒子，而只是模拟了它们的一些特性。但作者表示，粒子的行为符合定义，并且出于实际目的，它们仍然可以构成量子计算的基础。
量子血统
像博罗梅奥家族一样，非阿贝尔粒子在物理学和数学中也拥有悠久的谱系，包括导致了多项诺贝尔奖和菲尔兹奖的工作。非阿贝尔粒子是一种任意子，一种只能存在于二维宇宙或物质被困在二维表面（例如在两种固体材料的界面处）的情况下的粒子。
任意子违背了物理学家最珍视的假设之一：所有粒子都属于费米子或玻色子这两个类别之一。当两个相同的费米子交换位置时，它们的量子态（称为波函数）会在（称为希尔伯特空间的数学空间中）翻转180度。但是当玻色子被交换时，它们的波函数保持不变。
另一方面，当两个任意子被交换时，这两个选项都不适用。相反，对于标准的“阿贝尔”任意子，波函数会偏移一定的角度，不同于费米子的180度。非阿贝尔任意子的反应是以更复杂的方式改变它们的量子态——这至关重要，因为它应该使它们能够执行非阿贝尔量子计算，这意味着如果以不同的顺序执行计算，则会产生不同的结果。
拓扑鲁棒性
非阿贝尔粒子还可以提供优于大多数其他量子计算方式的优势。通常，单个量子比特中的信息往往会迅速退化，产生错误——这限制了在有用的量子计算方面取得进展。物理学家已经开发了各种纠错方案，这些方案将需要将量子比特编码在许多原子（可能数千个）的集体量子态中。
但是非阿贝尔粒子应该使这项任务容易得多，因为当它们相互环绕时所追踪的路径应该对错误具有鲁棒性。诸如磁场干扰之类的扰动可能会稍微移动路径，而不会改变其连接的定性性质，即它们的拓扑结构。
非阿贝尔粒子的概念及其作为“拓扑量子比特”的潜力最早是由理论物理学家阿列克谢·基塔耶夫在20年前提出的，他现在在加利福尼亚州帕萨迪纳市的加州理工学院2。包括曼弗拉在内的物理学家一直在努力创造自然包含非阿贝尔粒子并因此可以作为拓扑量子比特平台的物质状态。微软已将拓扑量子比特作为开发量子计算机的首选方法。
维什瓦纳特说，Quantinuum公司机器中的非阿贝尔粒子是重要的初始步骤。“为了进入那个游戏——甚至成为拓扑量子计算机的竞争者——你需要采取的第一步是创造这样的状态，”他说。
西蒙说，虚拟非阿贝尔粒子方法可能对量子计算有用，但它是否比其他纠错方案更有效还有待观察——其中一些方案也受到拓扑学的启发。曼弗拉和微软正在研究的物理任意子将具有开箱即用的拓扑鲁棒性。德雷尔说，目前，他的团队的非阿贝尔粒子最终会有多高效仍不清楚。
本文经许可转载，并于2023年5月9日首次发表。