Lần đầu tiên trên thế giới: Cổng lượng tử tô-pô phổ quát được chứng minh trên phần cứng thực tế

Các công trình lý thuyết trước đây về các cổng phổ quát thông qua các thao tác hợp nhất và đo lường trên các anyon SU(2)₄ đã chỉ ra rằng việc bổ sung hợp nhất vào bện có thể tạo ra các bộ cổng phổ quát , nhưng thí nghiệm trên đối ngẫu lượng tử S₃ này là lần triển khai phần cứng đầy đủ đầu tiên.

Thí nghiệm đã được thực hiện như thế nào trên bộ xử lý ion bẫy H2 của Quantinuum?

Thí nghiệm được thực hiện trên System Model H2 của Quantinuum, một bộ xử lý ion bẫy với 54 qubit kết nối đầy đủ, các cổng có độ trung thực cao, và khả năng đo lường và phản hồi giữa mạch . Nhóm nghiên cứu đã chuẩn bị hàm sóng trạng thái cơ bản của trật tự tô-pô S₃ trên một mạng tinh thể kagome, tạo ra các anyon không Abelian dưới dạng các kích thích . Sau đó, họ thực thi các mạch lượng tử để bện các anyon xung quanh nhau (các thao tác trao đổi tô-pô) và hợp nhất chúng lại với nhau—đưa chúng đến cùng một vị trí để đo điện tích kết hợp của chúng . Kết quả hợp nhất được sử dụng như một phần của thao tác cổng logic, cho phép tạo ra một bộ cổng phổ quát mà chỉ riêng việc bện không thể tạo ra . Kết quả đã được xác minh bằng cách so sánh các xác suất hợp nhất anyon đo được với các dự đoán lý thuyết cho các mô hình anyon S₃ .

Kiến trúc của bộ xử lý H2 đóng vai trò then chốt: bẫy ion hình chữ nhật của nó cung cấp khả năng kết nối tất cả với tất cả, cho phép nhóm nghiên cứu tạo ra trạng thái tô-pô với độ phức tạp cần thiết trong khi vẫn duy trì độ trung thực cao . Các thí nghiệm trước đó trên H2 với 27 qubit đã cho thấy trật tự tô-pô không Abelian và khả năng bện anyon với độ trung thực trên mỗi vị trí vượt quá 98,4% , nhưng quy mô 54 qubit là cần thiết để hỗ trợ bộ cổng phổ quát dựa trên sự hợp nhất.

Các hạn chế chính và thách thức còn lại

Bất chấp bước đột phá, thí nghiệm vẫn còn một số hạn chế quan trọng mà chính các nhà nghiên cứu đã thừa nhận:

• Chưa có khả năng chịu lỗi trong thực tế: Các thao tác anyon được thực hiện trên các qubit vật lý bằng các kỹ thuật giảm thiểu lỗi; thí nghiệm chưa đạt được khả năng bảo vệ tô-pô nội tại để làm cho các cổng có khả năng chịu lỗi ở quy mô lớn .
• Khả năng mở rộng: Thí nghiệm yêu cầu 54 qubit và các mạch thích ứng sâu. Việc mở rộng quy mô lên các kích thước hữu ích sẽ đòi hỏi nhiều qubit hơn, tỷ lệ lỗi thấp hơn và khả năng sửa lỗi tốt hơn phù hợp với các mã tô-pô .
• Hợp nhất so với khả năng chịu lỗi: Hợp nhất về bản chất sẽ phá hủy các anyon, vì vậy nó phải được sử dụng một cách cẩn thận để bảo toàn mã hóa tô-pô. Bài báo thừa nhận rằng các cổng dựa trên hợp nhất sẽ ảnh hưởng đến khả năng chịu lỗi trừ khi được kết hợp với sửa lỗi chủ động . Một công trình lý thuyết tiếp theo về đối ngẫu lượng tử S₃ đề xuất một giao thoa kế anyon chuyên dụng để đo từ xa tổng điện tích và tránh hoàn toàn việc hợp nhất, điều này có thể giúp giải quyết hạn chế này .
• Giới hạn ở anyon S₃: S₃ là nhóm không Abelian nhỏ nhất hỗ trợ tính toán phổ quát thông qua bện và hợp nhất. Các nghiên cứu trong tương lai nhằm mục đích hiện thực hóa các mô hình anyon phong phú hơn (ví dụ: anyon Fibonacci) về mặt lý thuyết mạnh hơn nhưng khó chế tạo hơn . Các công trình gần đây đã chứng minh khả năng bện anyon Fibonacci với độ chính xác đo điện tích 94% và độ trung thực tỷ lệ vàng 98% , cho thấy các phương pháp thay thế cũng đang tiến bộ.
• Các bước tiếp theo: Các tác giả đề xuất tích hợp các cổng tô-pô này với các mã sửa lỗi lượng tử chủ động, mở rộng quy mô lên các trật tự tô-pô lớn hơn và cuối cùng chứng minh một qubit logic với tỷ lệ lỗi thấp hơn mức sàn của qubit vật lý .

Bối cảnh rộng hơn và ý nghĩa

Tính toán lượng tử tô-pô đưa ra một tầm nhìn hoàn toàn khác so với các phương pháp tiếp cận dựa trên qubit thông thường: thay vì chống lại lỗi bằng các phương pháp sửa lỗi ngày càng phức tạp, nó mã hóa thông tin trong các mẫu bện của các hạt giả hạt theo cách được bảo vệ một cách tự nhiên khỏi nhiễu cục bộ . Việc chứng minh rằng một trật tự tô-pô không Abelian tối thiểu có thể hỗ trợ một bộ cổng phổ quát khi hợp nhất được thêm vào như một nguyên hàm cho thấy rằng tính toán tô-pô hữu ích có thể đạt được với các hệ thống vật lý đơn giản hơn so với yêu cầu trước đây. Vì trật tự tô-pô S₃ là nhóm không Abelian đơn giản nhất có thể được chuẩn bị bằng các mạch thích ứng có độ sâu hữu hạn , kết quả này mở ra một con đường thực tế để hướng tới các bộ xử lý lượng tử tô-pô có khả năng mở rộng.