Microsoft и Quantinuum совершили прорыв: впервые реализованы универсальные топологические квантовые вентили на реальном оборудовании

15 июля 2026 года исследователи из Microsoft и Quantinuum опубликовали в журнале Nature landmark-эксперимент, в котором впервые продемонстрировали универсальные топологические квантовые вентили за счет переплетения и слияния неабелевых анионов на 54-кубитном квантовом процессоре . Это первый случай, когда слияние анионов было использовано в качестве вычислительного примитива для достижения универсального набора вентилей на реальном квантовом оборудовании, что закрыло давний пробел в топологических квантовых вычислениях. Работа представляет собой значительную экспериментальную проверку теоретической концепции, которая была понятна годами, но никогда не была реализована на реальном оборудовании .

Какой пробел закрывает это открытие?

Более ранние работы, включая собственные демонстрации Quantinuum 2023–2024 годов на процессоре H2, показали, что неабелевы анионы можно создавать и переплетать. Однако одно лишь переплетение не дает вычислительно универсального набора вентилей для простейших неабелевых топологических порядков . Топологический порядок S₃, использованный в этом эксперименте, представляет собой «минимально неабелево» обобщение торического кода. Переплетение само по себе оставляет его неуниверсальным, но команда доказала, что обработка слияния анионов как дополнительного вычислительного примитива обеспечивает недостающие вентили . Это закрывает теоретический пробел, известный десятилетиями: простые модели неабелевых анионов могли поддерживать отказоустойчивые квантовые вычисления в принципе, но никто не показал, как реализовать полный универсальный набор вентилей на реальном процессоре до сих пор .

Более ранние теоретические работы по универсальным вентилям через операции слияния и измерения на анионах SU(2)₄ показали, что дополнение переплетения слиянием может дать универсальные наборы вентилей , но этот эксперимент на квантовом дубле S₃ является первой полной аппаратной реализацией.

Как это было продемонстрировано на ионном процессоре Quantinuum H2?

Эксперимент был выполнен на процессоре Quantinuum System Model H2 — ионной ловушке с 54 полностью связанными кубитами, вентилями высокой точности и возможностью измерения и обратной связи в середине схемы . Команда подготовила волновую функцию основного состояния топологического порядка S₃ на решетке кагоме, создав неабелевы анионы как возбуждения . Затем они выполнили схемы, которые переплетали анионы друг с другом (топологические операции обмена) и сливали анионы вместе — сводя их в одно место для измерения их общего заряда . Результаты слияния использовались как часть операции логического вентиля, что позволило получить универсальный набор вентилей, который одно лишь переплетение произвести не могло . Результаты были проверены путем сравнения измеренных вероятностей слияния анионов с теоретическими предсказаниями для моделей анионов S₃ .

Архитектура процессора H2 была критически важна: его ионная ловушка формы «гоночной трассы» обеспечивает связь «каждый с каждым», что позволило команде создать топологическое состояние с необходимой сложностью, сохраняя при этом высокую точность . Более ранние демонстрации на H2 с 27 кубитами уже показали неабелев топологический порядок и переплетение анионов с точностью на сайт более 98,4% , но масштаб в 54 кубита был необходим для поддержки основанного на слиянии универсального набора вентилей.

Ключевые ограничения и оставшиеся проблемы

Несмотря на прорыв, эксперимент имеет несколько важных ограничений, которые признают сами исследователи:

• Пока не является отказоустойчивым на практике: операции с анионами были реализованы на физических кубитах с использованием методов подавления ошибок; эксперимент еще не достигает присущей топологической защиты, которая сделала бы вентили отказоустойчивыми в масштабе .
• Масштабируемость: для демонстрации потребовалось 54 кубита и глубокие адаптивные схемы. Масштабирование до полезных размеров задач потребует гораздо большего числа кубитов, более низких уровней ошибок и лучшей коррекции ошибок, адаптированной к топологическим кодам .
• Слияние и отказоустойчивость: слияние по своей сути разрушает анионы, поэтому его нужно использовать осторожно, чтобы сохранить топологическое кодирование. В статье признается, что вентили на основе слияния ставят под угрозу отказоустойчивость, если не сочетать их с активной коррекцией ошибок . Последующая теоретическая работа по квантовому дублю S₃ предлагает специализированный интерферометр для анионов, позволяющий дистанционно измерять общий заряд и избегать слияния, что могло бы помочь решить эту проблему .
• Ограничение анионами S₃: S₃ — это наименьшая неабелева группа, поддерживающая универсальные вычисления через переплетение и слияние. Будущие работы направлены на реализацию более богатых моделей анионов (например, анионов Фибоначчи), которые теоретически более мощны, но сложнее в реализации . Недавние работы продемонстрировали переплетение анионов Фибоначчи с точностью измерения заряда 94% и точностью золотого сечения 98% , что показывает, что альтернативные подходы также продвигаются.
• Следующие шаги: авторы предлагают интегрировать эти топологические вентили с активными кодами квантовой коррекции ошибок, масштабировать до более крупных топологических порядков и в конечном итоге продемонстрировать логический кубит с уровнем ошибок ниже уровня физических кубитов .

Более широкий контекст и значение

Топологические квантовые вычисления предлагают принципиально иное видение по сравнению с обычными подходами на основе кубитов: вместо борьбы с ошибками с помощью все более сложной коррекции ошибок они кодируют информацию в узорах переплетения квазичастиц таким образом, что она естественным образом защищена от локального шума . Демонстрация того, что минимальный неабелев топологический порядок может поддерживать универсальный набор вентилей при добавлении слияния в качестве примитива, показывает, что полезные топологические вычисления могут быть достижимы с более простыми физическими системами, чем требовалось ранее. Поскольку топологический порядок S₃ является простейшей неабелевой группой, которую можно подготовить с помощью адаптивных схем конечной глубины , этот результат открывает практический путь к масштабируемым топологическим квантовым процессорам.