„Iznenađujući kandidat“ za kvantno računarstvo upravo je pokazao da može da postane univerzalan

Istraživači su pokazali da egzotične kvantne čestice zvane neabelovi enioni mogu da izvrše čitav niz operacija potrebnih za univerzalno kvantno računarstvo. Koristeći 54 kubita, kombinovali su pletenje i fuziju da bi otključali mogućnosti koje samo pletenje nije moglo da obezbedi.

Praktičan kvantni računar mora biti u stanju da obradi bilo koju vrstu kvantnog algoritma, baš kao što običan laptop može da pokreće mnoge vrste softvera. Istraživači su demonstrirali nov način da se dostigne taj nivo fleksibilnosti pomoću neobičnih kvantnih objekata poznatih kao neabelovi enioni.

Preporučujemo

Naučnici sa Fakulteta za molekularni inženjering Univerziteta u Čikagu, Harvarda, Univerziteta Stoni Bruk i iz kompanije Kvantinuum kreirali su i testirali kompletan skup operacija zasnovanih na neabelovim enionima. Njihovi rezultati predstavljaju prvu eksperimentalnu demonstraciju da ovaj pristup može da podrži širok spektar operacija potrebnih za univerzalno kvantno računarstvo.

„Demonstrirali smo takozvani univerzalni skup kapija — što znači da, ako smestite informacije u ove nove verzije kvarkova i pomerate ih unaokolo, možete da izvršite bilo koju kvantnu računicu koju poželite“, kažu istraživači.

Mogući kraći put oko skupe kvantne korekcije grešaka

Ova strategija bi mogla da bude više nego pomoć u stvaranju kvantnog računara generalne namene. Mogla bi da ponudi i efikasniji put ka pouzdanim kvantnim mašinama.

Kvantni računari su izuzetno podložni greškama, tako da istraživači obično štite informacije distribuirajući ih širom mnogih fizičkih kubita. Ove metode korekcije grešaka mogu da sačuvaju podatke, ali obično ne obezbeđuju svaku operaciju potrebnu za univerzalno kvantno računarstvo na tim zaštićenim informacijama.

Da bi popunili tu prazninu, inženjeri se često oslanjaju na specijalno pripremljene resurse zvane „magična stanja“. Njihovo stvaranje obično zahteva intenzivan proces prečišćavanja poznat kao destilacija, koji može da potroši veliki deo dostupnih kubita kvantnog računara. Novi rezultati sugerišu da bi neabelovi enioni mogli predstavljati način da se zaobiđe taj skupi korak.

Zašto su neabelovi enioni drugačiji

Obični kubiti kodiraju informacije koristeći dva osnovna stanja, zajedno sa kvantnim kombinacijama tih stanja. Neabelovi enioni funkcionišu na fundamentalno drugačiji način.

Ovi enioni se u prirodi ne pojavljuju kao obične samostalne čestice. Umesto toga, naučnici ih stvaraju unutar kvantnih sklopova sprežući mnoge konvencionalne kubite u kolektivno stanje koje se ponaša kao da je nova vrsta čestice sa sopstvenim neobičnim pravilima.

Svaki neabelov enion ima interno stanje koje se menja kad se jedan enion pomeri oko drugog, u procesu poznatom kao pletenje. Sekvenca tih operacija pletenja je važna (to je ono što „neabelov" znači), a omogućava da se informacije kodiraju i obrađuju na načine nedostupne običnim česticama.

Pošto su informacije raširene po mnogim spregnutim kubitima, a nisu smeštene na jednom mestu, takođe mogu biti prirodno zaštićene od nekih malih poremećaja koji često narušavaju konvencionalne kubite. Pletenje eniona takođe može obavljati računarske operacije.

Godine 2024, eksperiment je pokazao da te neobične čestice mogu biti stvorene i manipulisane, ali pletenje nije bilo dovoljno da se izvrši svaka operacija potrebna za univerzalno kvantno računarstvo.

Fuzija otključava univerzalne kvantne operacije

Za novu studiju, istraživači su stvorili enione koristeći 54 spregnuta kubita. Upotrebljeni sistem je imao svojstva potrebna za univerzalno kvantno računanje, ali samo kad je pletenje bilo udruženo sa drugom operacijom zvanom fuzija. Tokom fuzije, dva eniona su spojena i dobijeno stanje se meri.

Istraživači su koristili parove eniona da kodiraju „topološke kutrite“ koji skladište tri moguća nivoa kvantnih informacija, umesto dva nivoa kod običnih kubita.

Kombinujući različite operacije pletenja i fuzije, demonstrirali su tri ključna alata: jednu sprežuću kapiju proizvedenu pletenjem i dva različita merenja stvorena putem fuzije. Te operacije zajedno mogu u principu da proizvedu bilo koju kvantnu operaciju, uključujući operacije koje samo pletenje nije moglo da ostvari.

Osim mogućih računarskih primena, ova neobična kvantna stanja mogla bi takođe pomoći u proučavanju fundamentalnih aspekata fizike.

„Zadovoljstvo je videti ove ideje ostvarene u laboratoriji, a to je omogućeno izuzetnim napretkom kvantnog hardvera tokom poslednjih nekoliko godina“, kažu istraživači.

Ka kvantnim računarima otpornim na greške

Istraživači su takođe demonstrirali da neabelovi enioni mogu direktno da proizvedu magično stanje koristeći topološke operacije — zaobilazeći skupi proces destilacije koji se koristi u većini kvantnih sistema.

Eksperiment još nije uključio aktivnu korekciju grešaka. Umesto toga, istraživači su se fokusirali na testiranje individualnih gradivnih blokova metode i potvrđivanje da mogu da stvore magično stanje u skladu sa teorijskim očekivanjima.

Sledeći veliki korak biće kombinovanje ovih operacija sa aktivnom korekcijom grešaka. Ako to može da se postigne, neabelovi enioni bi mogli postati praktična osnova za kvantne računare velikih razmera, otporne na greške. Već se radi na novim tehnikama za stabilizaciju neabelovih kvantnih memorija.

(Telegraf Nauka/Science Daily)