Průlom v topologickém kvantovém počítání: Microsoft a Quantinuum poprvé propletli a spojili anyony na 54 qubitech

Jakou mezeru experiment uzavírá?

Dřívější práce, včetně Quantinuuových demonstrací z let 2023–2024 na procesoru H2, ukázaly, že neabelovské anyony lze vytvořit a splétat. Jenomže samotné splétání neposkytuje výpočetně univerzální sadu bran pro nejjednodušší neabelovské topologické řády . S₃ topologický řád použitý v tomto experimentu je „minimálně neabelovské“ zobecnění torického kódu. Splétání samo o sobě nestačí – tým ale dokázal, že pokud se slučování anyonů považuje za další výpočetní prvek, získají se tím chybějící brány . Tím se uzavírá teoretická mezera známá po desetiletí: jednoduché neabelovské modely anyonů sice v principu umožňují odolné kvantové počítání, ale nikdo dosud neukázal, jak na skutečném procesoru realizovat úplnou univerzální sadu bran .

Dřívější teoretické práce o univerzálních bránách pomocí slučování a měření u SU(2)₄ anyonů ukazovaly, že doplněním splétání o slučování lze univerzální sady dosáhnout . Tento experiment na S₃ kvantovém dvojici je ale první plnou hardwarovou implementací.

Jak probíhal experiment na Quantinuuově procesoru H2?

Experiment byl proveden na Quantinuuově System Model H2, iontovém pastovém procesoru s 54 plně propojenými qubity, bránami s vysokou věrností a možností měření a zpětné vazby uprostřed obvodu . Tým připravil základní stavovou vlnovou funkci S₃ topologického řádu na kagomé mřížce a vytvořil neabelovské anyony jako excitace . Poté spouštěli obvody, které splétaly anyony kolem sebe (topologické výměnné operace) a slučovaly je – přiváděly je na stejné místo, aby změřily jejich společný náboj . Výsledky slučování byly použity jako součást logické brány, čímž vznikla univerzální sada, kterou samotné splétání neumožňovalo . Správnost ověřili porovnáním naměřených pravděpodobností slučování s teoretickými předpověďmi pro S₃ anyony .

Klíčová byla architektura procesoru H2: past ve tvaru závodní dráhy umožňuje propojení všech qubitů se všemi, což týmu dovolilo vytvořit topologický stav s potřebnou složitostí při zachování vysoké věrnosti . Dřívější demonstrace na H2 s 27 qubity už ukázaly neabelovský topologický řád a splétání anyonů s věrností na místo přes 98,4 % , ale pro slučování a univerzální brány bylo potřeba 54 qubitů.

Hlavní omezení a zbývající výzvy

I přes průlom má experiment několik důležitých omezení, která sami autoři přiznávají:

• Zatím není prakticky odolný vůči chybám: Operace s anyony byly provedeny na fyzických qubitech s využitím technik pro zmírnění chyb; experiment zatím nedosahuje skutečné topologické ochrany, která by brány při škálování chránila .
• Škálovatelnost: Demonstrace vyžadovala 54 qubitů a hluboké adaptivní obvody. Pro užitečné problémy bude potřeba mnohem víc qubitů, nižší chybovost a lepší korekce chyb přizpůsobená topologickým kódům .
• Slučování vs. odolnost: Slučování anyony ničí, takže je třeba ho používat opatrně, aby nedošlo k porušení topologického kódování. Autoři uznávají, že brány založené na slučování narušují odolnost, pokud nejsou kombinovány s aktivní korekcí chyb . Navazující teoretická práce navrhuje speciální anyonový interferometr pro dálkové měření celkového náboje, který by slučování zcela nahradil a mohl by toto omezení vyřešit .
• Omezení na S₃ anyony: S₃ je nejmenší neabelovská grupa, která umožňuje univerzální výpočty splétáním a slučováním. Do budoucna se počítá s bohatšími modely (např. Fibonacciho anyony), které jsou teoreticky mocnější, ale hůře realizovatelné . Nedávno byl například demonstrován Fibonacciho anyon s 94% přesností měření náboje a 98% věrností zlatého řezu .
• Další kroky: Autoři navrhují integraci topologických bran s aktivními korekčními kódy, přechod k větším topologickým řádům a nakonec demonstraci logického qubitu s chybovostí nižší, než je fyzická základna .

Širší kontext a význam

Topologické kvantové počítání nabízí zásadně odlišnou vizi od běžných qubitových přístupů: místo boje s chybami pomocí stále složitějších korekcí kóduje informaci do vzorců splétání kvazičástic, které jsou přirozeně chráněny před lokálním šumem . Ukázka, že minimální neabelovský topologický řád může při doplnění o slučování podporovat univerzální sadu bran, otevírá cestu k praktickému topologickému výpočtu s jednoduššími fyzikálními systémy, než se dříve zdálo možné. Protože S₃ topologický řád je nejjednodušší neabelovská grupa, kterou lze připravit s adaptivními obvody konečné hloubky , výsledek ukazuje reálnou cestu ke škálovatelným topologickým kvantovým procesorům.