非阿贝尔任意子实现通用量子运算 量子计算“黑马”跨过关键门槛

美国芝加哥大学分子工程普利兹克学院（UChicago PME）、哈佛大学、石溪大学以及量子计算公司 Quantinuum 的研究团队近日宣布，他们首次在真实量子硬件上，用一种名为“非阿贝尔任意子”的奇特量子对象，完成了一整套可支持通用量子计算的运算工具。这意味着，这条长期被视为量子计算“黑马”的技术路线，迈过了从理论走向通用计算实践的关键一步。

研究人员通过实验证明，只要对这些非阿贝尔任意子进行编织（braiding）和“融合”（fusion），就可以实现量子计算所需的全部基本运算。换言之，将信息编码在这些“涌现夸克”式的任意子中，并通过移动、交换它们的位置，就能完成任意一种量子计算任务。 合作者之一、芝加哥大学分子工程系助理教授 Ruben Verresen 表示，他们在这一体系中实现了所谓的“通用门集”，从而在原则上赋予该方案与传统通用量子计算架构同等的计算能力。

通用量子计算不仅要求机器能在某些特定任务上表现出色，更关键的是要具备执行任何量子算法的通用性。 通常，量子计算机需要通过纠错码将信息分布在大量物理量子比特（qubit）上，以抵御噪声和误差。然而，在常见的纠错架构中，许多关键操作无法直接在被保护的信息上实现，工程师不得不借助所谓的“魔态”（magic state）来弥补这项缺陷。 但魔态的制备极其耗费资源，需要复杂而昂贵的“蒸馏”过程，占用大批量子比特。

最新研究表明，非阿贝尔任意子有望绕开这一步骤。 Quantinuum 慕尼黑办公室的负责人、论文合著者 Henrik Dreyer 形容，非阿贝尔编码在量子纠错竞赛中一直是一匹“黑马”，而本次工作首次在非阿贝尔编码中展示了通用门集，说明原则上可以在不依赖魔态蒸馏等高成本操作的前提下，实现容错量子计算。

在传统量子计算中，一个量子比特可以处于“0”“1”以及二者叠加的状态。 非阿贝尔任意子则完全不同，它们并非自然界中独立存在的粒子，而是通过量子电路，将大量普通量子比特强关联（纠缠）后涌现出的“有效粒子”，遵循一套独特的数学规则。 Verresen 将这种编码形象地比喻为“制造一个个小宇宙”——这些由任意子构成的另类宇宙，反映出我们现实世界某些对称性和物理特性。

每一个非阿贝尔任意子都有一个内部量子态，当它被绕着另一颗任意子移动，即进行“编织”操作时，这个内部态会发生变化，而且结果不仅取决于起点和终点，还取决于完整的运动顺序和路径，这正是“非阿贝尔”之名的核心含义。 通过对任意子进行不同顺序的编织，研究人员可以以一种普通粒子无法实现的方式来编码和操控信息。 此外，信息被分散存储在许多纠缠的量子比特中，而非集中在某一个容易受扰动的节点，这使得整体系统对微小扰动更加鲁棒。 值得注意的是，同样是编织这一过程，既能起到保护信息的拓扑“护盾”作用，也能在编码空间中实现具体的逻辑门运算。

事实上，非阿贝尔任意子在真实硬件上的实现并非首次出现。早在 2024 年，包含 Verresen 在内的研究团队就曾利用 Quantinuum 的离子阱量子计算机，基于数学中的 D4 对称性（保持正方形不变的旋转与反射群），在硬件上实现过一类非阿贝尔序的任意子。 然而，当时通过编织这些任意子所能实现的操作集合并不完备，无法构成通用量子计算所需的全部逻辑门。 用 Verresen 的话说，那一次他们创造出的“宇宙”还不够强大。

此次发表在《自然》（Nature）的最新工作选择了另一种对称性——S3 群，即保持正三角形不变的旋转和镜像操作所构成的对称群。 研究团队在 Quantinuum 的 H2 离子阱处理器上，通过纠缠 54 个量子比特，构造出了与 S3 对称性对应的非阿贝尔任意子。 从数学上看，S3 具备支持通用计算的必要结构，但仅靠编织仍然不够。

为此，团队引入了“融合”操作：让两颗任意子彼此靠近并发生结合，再通过测量来读取其融合结果。 早在 2003 年，加州理工学院物理学家 John Preskill 的学生 Carlos Mochon 就在理论上提出了借助编织与融合实现通用量子计算的方案。 然而，要在真实、噪声存在的量子硬件上严格落地，还需要大量额外的理论设计和实验摸索。

在具体编码上，研究人员将两两成对的任意子用来构建所谓的“拓扑三能级量子单元”（topological qutrit）。与只能表示“0”与“1”的量子比特不同，三能级量子单元可以同时承载三个基态，从而在某些算法中提升信息密度和操作效率。 在这一拓扑 qutrit 编码下，团队通过不同组合的编织与融合，展示了三类关键操作：一类通过编织实现的纠缠逻辑门，以及两类通过融合实现的不同测量操作。 这些操作共同构成了一个在原则上完备的通用门集，可以生成任意所需的量子运算，包括仅靠编织无法触及的计算。

为了帮助公众理解这类复杂现象，团队还发布了相关可视化视频：在其中，一个“涌现夸克”围绕障碍物运动，其内部“颜色”标签在编织过程中逐渐变化，而由于存在三种可能的颜色，这一自由度刚好构成一个三能级量子单元。 即使稍微改变运动路径，只要拓扑顺序不变，最终结果也不会改变，这直观体现了拓扑操作的稳定性。

除了计算潜力，这些通过非阿贝尔任意子实现的量子态也为基础物理研究提供了新工具。 它们为研究物质的拓扑序、量子多体系统中的新奇相以及高能物理中某些抽象对称结构提供了实验平台。 参与研究的哈佛大学研究生 Anasuya Lyons 与 Chiu Fan Bowen Lo 表示，能够在实验室中看到自己博士阶段反复推演的理论真正落地，得益于近几年量子硬件性能的快速提升。

更具现实意义的是，团队还展示了如何直接利用非阿贝尔任意子的拓扑操作制备魔态，从而绕开传统架构中耗费巨大资源的蒸馏流程。 在本次实验中，研究者并未实施实时运行中的主动纠错，而是分别对各个计算组件进行性能评估，验证其行为符合预期，并确认所生成魔态与理论预测高度一致。

Verresen 将这项工作定位为“概念验证”：他们证明了在真实量子硬件上，非阿贝尔任意子不仅可以被稳定构造和操控，还能够支撑通用量子门操作与魔态制备。 下一步，关键挑战在于把这套方法与主动误差纠正完全集成，真正将其打造成可扩展、可容错的大规模量子计算平台。 他透露，目前团队已在与芝加哥大学分子工程学院的其他研究组合作，探索如何稳定非阿贝尔量子存储，为未来的拓扑量子计算机打下基础。

这项工作以《Universal gates from braiding and fusing anyons on quantum hardware》（《通过在量子硬件上编织与融合任意子实现通用量子门》）为题，于 2026 年 7 月 15 日发表于《自然》杂志，作者来自 UChicago PME、哈佛大学、Stony Brook University 与 Quantinuum 等机构，论文 DOI 为 10.1038/s41586-026-10709-y。