Microsoft ja Quantinuum saavuttivat läpimurron: Ensimmäistä kertaa universaalit topologiset kvanttiportit oikealla laitteistolla

Minkä aukon se sulkee?

Aiemmat työt, mukaan lukien Quantinuumin omat vuosien 2023–2024 demonstraatiot H2-prosessorilla, osoittivat, että ei-abelisia anyoneja voidaan luoda ja punoa. Pelkkä punominen ei kuitenkaan tarjoa laskennallisesti universaalia porttijoukkoa yksinkertaisimmille ei-abelisille topologisille järjestyksille . Tässä kokeessa käytetty S₃-topologinen järjestys on "minimaalisesti ei-abelinen" yleistys torisesta koodista. Pelkkä punominen jättää sen ei-universaaliksi, mutta tiimi osoitti, että anyoneiden sulauttamisen käsittely laskennallisena perusoperaationa tarjoaa puuttuvat portit . Tämä sulkee teoreettisen aukon, joka oli tunnettu vuosikymmeniä: yksinkertaiset ei-abeliset anyonimallit voisivat periaatteessa tukea vikasietoista kvanttilaskentaa, mutta kukaan ei ollut osoittanut, kuinka toteuttaa täydellinen universaali porttijoukko oikealla prosessorilla ennen nyt .

Aiempi teoreettinen työ universaaleista porteista sulauttamalla ja mittausoperaatioilla SU(2)₄-anyoneilla oli osoittanut, että punomisen täydentäminen sulauttamisella voi tuottaa universaaleja porttijoukkoja , mutta tämä koe S₃-kvanttiduplikaatilla on ensimmäinen täysi laitteistototeutus.

Miten se demonstroitiin Quantinuumin H2-prosessorilla?

Koe suoritettiin Quantinuumin System Model H2 -prosessorilla, joka on loukku-ioni-prosessori, jossa on 54 täysin toisiinsa kytkettyä kubittia, korkean tarkkuuden portit sekä kyky mittauksiin keskellä piiriä ja takaisinkytkentään . Tiimi valmisteli S₃-topologisen järjestyksen perustilan aaltofunktion kagome-hilalle, luoden ei-abelisia anyoneja viritystiloina . Tämän jälkeen he suorittivat piirejä, jotka punosivat anyoneja toistensa ympäri (topologisia vaihto-operaatioita) ja sulauttivat anyoneja yhteen – tuoden ne samaan paikkaan mitatakseen niiden yhteisvarausta . Sulauttamistuloksia käytettiin osana loogista porttioperaatiota, mikä mahdollisti universaalin porttijoukon, jota pelkkä punominen ei voinut tuottaa . Tulokset vahvistettiin vertaamalla mitattuja anyonien sulautumistodennäköisyyksiä S₃-anyonimallien teoreettisiin ennusteisiin .

H2-prosessorin arkkitehtuuri oli kriittinen: sen ratarataa muistuttava ioniloukku mahdollistaa täydellisen yhteydet kaikkien kubittien välillä, mikä salli tiimin luoda topologisen tilan tarvittavalla monimutkaisuudella säilyttäen samalla korkean tarkkuuden . Aiemmat demonstraatiot H2:lla 27 kubitilla olivat jo osoittaneet ei-abelisen topologisen järjestyksen ja anyonien punomisen yli 98,4 %:n tarkkuudella per paikka , mutta 54 kubitin skaala oli välttämätön sulauttamiseen perustuvan universaalin porttijoukon tukemiseksi.

Keskeiset rajoitukset ja jäljellä olevat haasteet

Läpimurrosta huolimatta kokeella on useita tärkeitä rajoituksia, jotka tutkijat itsekin tunnustavat:

• Ei vielä vikasietoinen käytännössä: Anyonioperaatiot toteutettiin fyysisillä kubiteilla virheenlievennystekniikoita käyttäen; koe ei vielä saavuta sisäistä topologista suojaa, joka tekisi porteista vikasietoisia suuressa mittakaavassa .
• Skaalautuvuus: Demonstraatio vaati 54 kubittia ja syviä adaptiivisia piirejä. Skaalaaminen hyödyllisiin ongelmakokoihin vaatii paljon enemmän kubitteja, pienempiä virhetasoja ja parempaa virheenkorjausta, joka on räätälöity topologisiin koodeihin .
• Sulauttaminen vs. vikasietoisuus: Sulauttaminen tuhoaa anyonit luonnostaan, joten sitä on käytettävä huolellisesti topologisen koodauksen säilyttämiseksi. Artikkelissa tunnustetaan, että sulauttamiseen perustuvat portit heikentävät vikasietoisuutta, ellei niitä yhdistetä aktiiviseen virheenkorjaukseen . Myöhempi teoreettinen työ S₃-kvanttiduplikaatista ehdottaa erikoistunutta anyoni-interferometriä kokonaisvarauksen etämittaamiseen ja sulauttamisen välttämiseen, mikä voisi auttaa tämän rajoituksen ratkaisemisessa .
• Rajoittuminen S₃-anyoneihin: S₃ on pienin ei-abelinen ryhmä, joka tukee universaalia laskentaa punomalla ja sulauttamalla. Tuleva tutkimus pyrkii toteuttamaan rikkaampia anyonimalleja (esim. Fibonacci-anyoneja), jotka ovat teoreettisesti tehokkaampia mutta vaikeampia toteuttaa . Tuore tutkimus on osoittanut Fibonacci-anyoneiden punomisen 94 %:n varausmittaustarkkuudella ja 98 %:n kultaisen leikkauksen tarkkuudella , mikä osoittaa, että myös vaihtoehtoiset lähestymistavat etenevät.
• Seuraavat askeleet: Kirjoittajat ehdottavat näiden topologisten porttien integroimista aktiivisiin kvanttivirheenkorjauskoodeihin, skaalaamista suurempiin topologisiin järjestyksiin ja lopulta loogisen kubitin esittämistä, jonka virhetaso on fyysisen kubitin tason alapuolella .

Laajempi konteksti ja merkitys

Topologinen kvanttilaskenta tarjoaa perustavanlaatuisesti erilaisen näkemyksen verrattuna tavanomaisiin kubittipohjaisiin lähestymistapoihin: sen sijaan, että virheitä torjuttaisiin yhä monimutkaisemmalla virheenkorjauksella, se koodaa tietoa kvasihiukkasten punontakuvioihin tavalla, joka on luonnostaan suojattu paikalliselta kohinalta . Osoitus siitä, että minimaalinen ei-abelinen topologinen järjestys voi tukea universaalia porttijoukkoa, kun sulauttaminen lisätään perusoperaatioksi, osoittaa, että hyödyllinen topologinen laskenta voi olla saavutettavissa yksinkertaisemmilla fyysisillä järjestelmillä kuin aiemmin vaadittiin. Koska S₃-topologinen järjestys on yksinkertaisin ei-abelinen ryhmä, joka voidaan valmistaa äärellisen syvyisillä adaptiivisilla piireillä , tämä tulos avaa käytännöllisen tien kohti skaalautuvia topologisia kvanttiprosessoreita.