Вперше створено універсальні топологічні вентилі на реальному квантовому процесорі

Яку прогалину закриває це відкриття?

Попередні роботи, зокрема власні демонстрації Quantinuum на системі H2 у 2023–2024 роках, показали, що неабелеві аніони можна створювати та сплітати. Однак самого сплетіння недостатньо для отримання універсального набору вентилів для найпростіших неабелевих топологічних порядків . У цьому експерименті використано S₃ топологічний порядок — «мінімально неабелеве» узагальнення торічного коду. Сплетіння саме по собі залишає його неуніверсальним, але команда довела, що додавання злиття аніонів як окремого обчислювального примітиву надає відсутні вентилі . Таким чином закрито теоретичну прогалину, відому десятиліттями: прості неабелеві аніонні моделі могли підтримувати відмовостійкі квантові обчислення в принципі, але ніхто не показав, як реалізувати повний універсальний набір вентилів на реальному процесорі до цього часу .

Попередні теоретичні роботи на SU(2)₄ аніонах показували, що доповнення сплетіння злиттям може дати універсальні набори вентилів , але цей експеримент на S₃ квантовому дублі є першою повною апаратною реалізацією.

Як це було продемонстровано на іонному процесорі Quantinuum H2?

Експеримент проведено на System Model H2 — іонному процесорі з 54 повністю зв'язаними кубітами, вентилями високої точності та можливістю вимірювань і зворотного зв'язку посеред схеми . Команда підготувала хвильову функцію основного стану S₃ топологічного порядку на ґратці кагоме, створивши неабелеві аніони як збудження . Потім вони виконали схеми, які сплітали аніони один навколо одного (топологічні операції обміну) та зливали аніони разом — зводячи їх в одну точку для вимірювання їхнього сукупного заряду . Результати злиття використовувалися як частина логічної вентильної операції, що дозволило реалізувати універсальний набір вентилів, недоступний при самому сплетінні . Коректність підтверджено порівнянням виміряних ймовірностей злиття аніонів з теоретичними передбаченнями для S₃ аніонних моделей .

Архітектура H2 була критично важливою: його іонна пастка у формі «гоночної траси» забезпечує зв'язок «кожен з кожним», що дозволило створити топологічний стан необхідної складності, зберігаючи високу точність . Попередні демонстрації на H2 з 27 кубітами вже показали неабелевий топологічний порядок і сплетіння аніонів із точністю понад 98.4% на сайт , але масштаб у 54 кубіти був необхідний для підтримки універсального набору вентилів на основі злиття.

Ключові обмеження та виклики

Попри прорив, експеримент має важливі обмеження, які визнають самі дослідники:

• Ще не відмовостійкий на практиці: операції з аніонами виконувались на фізичних кубітах з використанням методів пом'якшення помилок; експеримент ще не досягає властивого топологічного захисту, який зробив би вентилі відмовостійкими в масштабі .
• Масштабованість: демонстрація потребувала 54 кубітів і глибоких адаптивних схем. Масштабування до корисних розмірів задач вимагатиме значно більше кубітів, нижчих рівнів помилок і кращої корекції помилок, адаптованої до топологічних кодів .
• Злиття vs. відмовостійкість: злиття за своєю природою знищує аніони, тому його потрібно використовувати обережно, щоб зберегти топологічне кодування. У статті визнається, що вентилі на основі злиття компрометують відмовостійкість, якщо не поєднуються з активною корекцією помилок . Подальша теоретична робота над S₃ квантовим дублем пропонує спеціалізований аніонний інтерферометр для дистанційного вимірювання сумарного заряду, що уникає злиття і може допомогти вирішити цю проблему .
• Обмеженість S₃ аніонами: S₃ є найменшою неабелевою групою, яка підтримує універсальні обчислення через сплетіння та злиття. Майбутні роботи мають на меті реалізувати багатші аніонні моделі (наприклад, Фібоначчі-аніони), які є теоретично потужнішими, але складнішими для інженерії . Нещодавня робота вже продемонструвала сплетіння Фібоначчі-аніонів з точністю вимірювання заряду 94% та точністю золотого перетину 98% , показуючи, що альтернативні підходи також прогресують.
• Наступні кроки: автори пропонують інтегрувати ці топологічні вентилі з кодами активної корекції квантових помилок, масштабувати до більших топологічних порядків і, зрештою, продемонструвати логічний кубіт з рівнем помилок нижчим за фізичний .

Ширший контекст і значення

Топологічні квантові обчислення пропонують принципово інше бачення порівняно зі звичайними підходами на основі кубітів: замість боротьби з помилками дедалі складнішою корекцією, інформація кодується у візерунках сплетіння квазічастинок, які природно захищені від локального шуму . Демонстрація того, що мінімальний неабелевий топологічний порядок може підтримувати універсальний набір вентилів, коли злиття додається як примітив, показує, що корисні топологічні обчислення можуть бути досяжні з простішими фізичними системами, ніж вважалося раніше. Оскільки S₃ топологічний порядок є найпростішою неабелевою групою, яку можна підготувати за допомогою адаптивних схем скінченної глибини , цей результат відкриває практичний шлях до масштабованих топологічних квантових процесорів.