北京
来源：市场资讯
（来源：量子客）
近日，来自哈佛大学、芝加哥大学、石溪大学和Quantinuum的联合科研团队，首次在量子硬件上利用非阿贝尔任意子（non-Abelian anyons）展示了通用拓扑量子门集。
这一成果不仅证明了该方法在执行任何量子计算上的潜力，还为规避极其消耗资源的“魔态蒸馏（magic state distillation）”提供了一条极具希望的可靠途径。
相关研究以“Universal gates from braiding and fusing anyons on quantum hardware”为题，发表在《Nature》。
S3对称性、编织与融合的完美结合
该研究在Quantinuum包含54个量子比特的H2离子阱处理器上进行。
与传统的将信息存储在0或1状态的普通量子比特不同，研究团队利用了“topological qutrits”，其具有三个层级的量子信息，大幅提升了系统的计算潜力。
研究人员在此次实验中构建了基于S3对称群（即等边三角形的旋转和镜像翻转对称性）的非阿贝尔任意子。
这克服了早期研究的局限性：在2024年，科学家曾展示过基于D4对称群（正方形对称性）的任意子，但发现仅靠“编织（braiding）”这些粒子并不足以实现通用量子计算，因为系统本身不够强大。
在最新的S3架构中，研究团队将“编织（即让任意子相互绕行以改变其内部状态）”与“融合（将两个任意子合并并测量结果）”这两种基本操作结合在一起，成功实现了包含纠缠和测量的完整通用量子门操作。
图(a)展示了等边三角形的旋转与镜像翻转对称性（即S3群）；图(b)展示了如何在由非阿贝尔任意子组成的系统中编码逻辑状态；图(c)直观演示了将任意子“编织”与“融合”结合起来，以实现通用量子门集的过程；图(d)则展示了在Quantinuum处理器上定义拓扑信息的物理阵列结构。（来源：Nature）
突破容错量子计算的资源瓶颈
开发通用且容错的大规模量子计算机，最大的挑战之一在于纠错并同时保持通用计算能力。在传统的量子纠错代码中，为了执行计算所需的全部操作，工程师必须依赖被称为“魔态（magic states）”的特殊量子资源。
制备魔态通常需要经过极其昂贵且耗费资源的“魔态蒸馏”过程，这会占据量子计算机中很大一部分的物理量子比特资源与计算时间。
Quantinuum慕尼黑办公室总经理兼科学负责人Henrik Dreyer指出：“非阿贝尔代码是量子纠错竞赛中的一匹黑马”。
这项新研究首次表明，利用非阿贝尔任意子可以通过拓扑操作直接制备魔态，从而在原理上绕过极其昂贵的魔态蒸馏过程。
这意味着，如果未来的量子计算机采用这种拓扑方法，其所需的物理量子比特数量将显著减少，系统也可以将更多时间直接用于运行有用的算法。
图｜利用拓扑操作直接制备量子“魔态”的时空演化图与结果验证。 图(a)的时空图展示了不经过传统“魔态蒸馏”，仅依靠特定任意子的移动与测量即可制备魔态的具体操作流程；图(b)与图(c)的实验数据条形图证明，该团队制备出的最终状态与魔态的理论预测高度一致，验证了该方法的有效性与相干性。（来源：Nature）
芝加哥大学分子工程学助理教授Ruben Verresen表示，这项工作成功展示了一个“通用门集”，这意味着只要将信息存储在这些涌现的奇异粒子中并对其进行移动，就可以执行人们想要的任何量子计算。
虽然目前的研究重点是验证各个计算模块的有效性并提供概念证明，团队尚未在当前实验中加入主动纠错，但将这种全新的拓扑方法与量子纠错相结合是自然而然的下一步，这为未来构建大规模、高可靠性的容错量子计算机奠定了强有力的基础。
引用：
[1]https://www.quantinuum.com/blog/a-new-state-in-quantum-computing
[2]https://www.nature.com/articles/s41586-026-10709-y
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