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终于，霍尼韦尔创造「拓扑量子态」
40年前，Frank Wilczek正在考虑一种奇怪的粒子类型，这种粒子只可能生活在一个平坦的宇宙中。如果他把笔放在纸上并进行计算，这些当时的理论粒子对它们的过去有一种超乎寻常的记忆，这种记忆在现实的结构中交织得太彻底、任何干扰都无法抹去。
在过去的三十多年里，研究人员已经花费了数百万美元，试图捕捉和驯服这些类似于粒子的物体，它们有一个神秘的名字：非阿贝尔任意子(non-Abelian anyon)。
现在，这一具有里程碑意义的实验终于成功了。
利用Quantinuum公司新近推出的下一代H2处理器，科学家在量子物质的一个新阶段合成、操纵了非阿贝尔任意子。
这一成就展示了量子设备不断增长的力量，同时提供了对未来计算的潜在“窥视”：通过保持它们在空间和时间旅程的几乎不可破坏的记录，非阿贝尔任意子可以为建立容错的量子计算机提供最有希望的平台。
新的系统模型H2有32个完全连接的高保真量子比特，以及一个全新的架构，其中一个新的离子阱的椭圆形状类似于赛车场。Quantinuum展示了H2的能力，展示了32个量子比特的GHZ状态（这是一种非经典状态），并且，所有32个量子比特都是全局纠缠的。这是有记录以来最大的一次，也是有史以来性能最高的量子计算机。
系统模型H2的赛道设计实现了量子比特之间的全连接，这意味着H2中的每个量子比特都可以直接与系统中的任何其他量子比特进行成对纠缠。这样做可以减少算法中的整体错误；长期而言，这为新的、更有效的纠错码开辟了更多机会。
这一开发的核心团队设在慕尼黑，由Henrik Dreyer博士领导。
H2设计是朝着展示离子阱设备的扩展潜力迈出的有力一步。它在量子电荷耦合器件(QCCD)架构中扩展了离子阱：展示了在保持性能的同时扩展量子比特数量的能力，为在后续世代中进一步扩展铺平了道路。
H2被设计为在其产品生命周期内进行升级，这意味着量子比特数量和量子比特质量都将得到改善。同时，H2推出时的量子体积为65536——超过了今年2月使用H1-1宣布的世界记录。
“通过我们的第二代系统，我们正在进入量子计算的一个新阶段。H2强调了实现有价值的结果的机会，这些结果只有在量子计算机中才可能实现。H2处理器的开发也是迈向通用容错量子计算的关键一步。”Quantinuum创始人、总裁兼首席运营官Tony Uttley表示。
现在，H2可以通过Quantinuum的云端访问，并将于6月开始通过微软Azure Quantum提供。此外，通过英伟达的优化库和工具cuQuantum SDK，H2的噪声信息仿真器将加速量子计算仿真工作流程。
拓扑量子计算在过去几十年的发展，是一条漫长而曲折的道路。
1982年，Wilczek帮助物理学家们打开了对可能存在于二维空间的各种粒子的思路。他研究了将量子定律限制在一个假设的、完全平坦的宇宙的结果，并发现它将包含具有分数自旋和电荷的奇怪粒子；此外，交换其他无法区分的粒子可以改变它们的方式——这对于它们的三维对应物来说是不可能的。Wilczek将这些二维粒子命名为任意子(Anyon)，因为它们似乎几乎能够做任何事情。
可惜的是，Wilczek专注于最简单的“非线性”任意子：这些粒子在交换时，以无法直接检测的微妙方式发生变化。
他没有探索更疯狂的选项：非阿贝尔任意子——共享记忆的粒子。交换两个非阿贝尔任意子的位置会产生一个可直接观察的效果。它切换了它们的共享波函数的状态（一个描述系统量子性质的数量）。例如，如果你偶然发现两个相同的非阿贝尔任意子，通过测量它们所处的状态，就可以知道它们是否一直处于这些位置，或者它们是否有交叉路径——这是其他粒子远无法做到的。
在1991年，两位物理学家确定了这些状态。他们预测，当受到足够强的磁场和足够冷的温度时，粘在表面上的电子会以恰到好处的方式旋转在一起，形成非阿贝尔任意子。任意子不会是基本粒子（我们的三维世界禁止这样），而是“准粒子”。准粒子有精确的位置和行为，就像水分子的集合产生波浪和漩涡一样。
1997年，加州理工学院的理论家Alexei Kitaev指出，这种准粒子可以为量子计算机奠定完美基础。长期以来，物理学家们对利用量子世界进行计算的可能性“垂涎三尺”，它们有经典计算机及其二进制比特所不能达到的性能。但是，量子比特（量子计算机的原子状构件）是脆弱的：它们的波函数在最轻的触摸下会崩溃、抹去它们的记忆和进行量子计算的能力。这种脆弱性使控制量子比特以足够长的时间来完成漫长计算的野心变得难以企及。
Kitaev意识到，非阿贝尔任意子的共享记忆可以作为一个理想的量子比特。首先，它是可塑的：科学家可以通过“编织(braid)”的方式交换任意子的位置来改变量子比特状态（将0翻转为1）。
我们也可以读出该量子比特的状态。例如，当最简单的非阿贝尔任意子被聚集在一起并“融合”时，只有在它们被编织后才会发射出另一个准粒子。这个准粒子可以作为它们在空间、时间中交错旅程的物理记录。
最关键的是，这种记忆也是近乎不可破坏的。只要任意子保持较远的距离，对任何单个粒子的破坏都不会改变这对粒子所处的状态。通过这种方式，它们的集体记忆可以被有效地与宇宙的喧闹声隔绝——这将是存储信息的完美场所。
Kitaev的建议被称为拓扑量子计算。大多数研究人员现在认为，它们是量子计算的未来。例如，微软公司的研究人员试图控制电子直接形成非阿贝尔任意子。该公司已经投资了数百万美元用于建造微小的电线，期望在这些低温下，电子将自然地聚集起来形成任意子，而这些任意子又可以被编织成可靠的量子比特。
不过，经过十年的努力，这些研究人员仍然无法证明他们的方法会成功。2018年。曾有团队声明检测到了最简单的非阿贝尔准粒子类型——“马约拉纳零模”，但随后在2021年又同样高调地撤回了这个说法。
把电子变成非阿贝尔任意子的类似努力也停滞不前。诺基亚贝尔实验室的Bob Willett曾试图在砷化镓中凝聚电子；然而，最终数据却极为混乱，超冷温度、超纯材料和超强磁场使实验很难再现。
可以说，长期以来，并没有观察到任何东西。
现在，量子处理器正在改变对任意子的搜寻。因为处理器内的量子是粒子的抽象（虽然它们的物理性质因实验路线而异，但都可以把它们想象成围绕轴旋转的粒子）。但是，量子比特是真实存在的物质，所以量子处理器正在成为拓扑学实验的游乐场。
去年夏天，曾有实验团队在Quantinuum公司的H1捕获离子处理器上对他们的理论进行了测试：他们制作了非阿贝尔环形密码，并将其非阿贝尔缺陷编织起来。他们尝试了非阿贝尔相，但只有20个量子比特，无法达到目的。
此次，Quantinuum的第二代设备H2有高达32个量子比特，但该团队成功地在其中27个量子比特上建立了最简单的非阿贝尔相。
这一实验标志着对物质的非阿贝尔相的首次无可置疑的探测——这绝对是一个重要的里程碑。
Quantinuum位于德国慕尼黑的物理学家Henrik Dreyer团队成功编织了三对非阿贝尔任意子，使它们在空间和时间中的轨迹形成了一种被称为Borromean环的模式，这是非阿贝尔任意子的第一次编织。三个Borromean环在一起时是不可分割的，但如果切断一个，其他两个就会散开。
Quantinuum离子阱量子计算机有一个优势：与大多数其他类型的量子比特相比，其陷阱中的离子可以被移动，并使其相互作用，这就是量子计算机进行计算的方式。
物理学家们利用这种灵活性创造了一种异常复杂的量子纠缠形式，其中所有32个离子共享相同的量子状态。通过设计这些相互作用，他们创造了一个虚拟的纠缠晶格——其结构为27个量子比特的kagome（一种用于日本篮子编织的图案，类似于六角星的重复重叠；折叠后形成一个甜甜圈形状）。
纠缠状态代表了虚拟二维宇宙的最低能量状态（基本上根本不包含粒子的状态）。但是，通过进一步的操作，kagome被置于激发状态：这对应于粒子的出现，而这些粒子应该具有非阿贝尔任意子的特性。
为了证明这些激发态是非阿贝尔任意子，研究小组进行了一系列的测试。最有说服力的测试包括移动激发态以创造虚拟的Borromean环——该模式的出现通过在操作期间和操作之后对离子状态的测量得到了证实。
哈佛大学的理论物理学家Ashvin Vishwanath和该论文的共同作者说：“没有两个粒子被带到彼此周围，但它们全部联系在一起。这真的是一种惊人的物质状态，我们在任何其他设置中都没有非常清晰的认识。”
尽管结果令人印象深刻，但Quantinuum机器并没有真正创造出非阿贝尔任意子，而只是模拟了它们的一些特性。但作者仍表示，这些粒子的行为满足了定义；而且出于实际目的，它们仍然可以构成量子计算。
在量子处理器上创建拓扑相，就像通过堆叠几十个水分子来制造世界上最小的冰块。
这些实验最令人兴奋的方面是它们对量子计算的意义：研究人员终于表明，在Kitaev最初提议的26年后，他们可以制造拓扑量子计算的必要成分。现在，他们只需要弄清楚如何真正将它们用于工作。
下一个里程碑将是真正的纠错。
“容错的量子计算是我们的最终目标。我们在量子计算领域的世界领先地位不断得到展示，并被实际进展所证明。而创造和操纵非阿贝尔任意子以创建拓扑量子比特，是另一个例子。"Quantinuum公司创始人兼首席产品官、前首席执行官Ilyas Khan表示。
“这很可能是量子计算行业的一个晶体管时刻——我们将量子计算机作为构建拓扑量子比特的机器工具，这是迈向容错量子计算的重要一步，这一事实进一步证明了我们长期以来的信念：量子系统最好由其他量子系统探索和创造。”
“这正是费曼在他现在的著名言论中所预期的，这些言论经常被引用为量子计算的基础。”
Quantinuum公司首席执行官Rajeeb (Raj) Hazra博士也表示说：“对于那些认为能够推动人类知识和科学进步的量子计算机还很遥远的人，今天标志着一个转折点。一个世界领先的科学家团队利用Quantinuum的H2量子计算机实现了以前不可能实现的事情。”
“H2为Quantinuum提供了一个突破性的时刻。”他补充说：“我们的第二代量子计算机由H2量子处理器和相关软件驱动，提供了目前业界最好的性能，同时为大大加快容错量子计算的发展奠定了基础。”
原文链接：https://arxiv.org/pdf/2305.03766.pdf
参考链接：
[1]https://www.quantinuum.com/hardware/h2
[2]https://www.eenewseurope.com/en/quantinuum-claims-worlds-most-complex-quantum-computer-with-h2/
[3]https://www.quantinuum.com/news/for-the-first-time-ever-quantinuums-new-h2-quantum-computer-has-created-non-abelian-topological-quantum-matter-and-braided-its-anyons
[4]https://www.sdxcentral.com/articles/news/quantinuum-doubles-down-on-trapped-ion-tech-with-h2-quantum-computer-release/2023/05/
[5]https://www.quantamagazine.org/physicists-create-elusive-particles-that-remember-their-pasts-20230509/
[6]https://www.newscientist.com/article/2372659-weird-particle-that-remembers-its-past-discovered-by-quantum-computer/
[7]https://www.nature.com/articles/d41586-023-01574-0
[8]https://thequantuminsider.com/2023/05/09/in-potential-advance-toward-fault-tolerant-quantum-computers-quantinuums-new-h2-quantum-computer-has-created-non-abelian-topological-quantum-matter-and-braided-its-anyons/
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