«Забуті» квазічастинки можуть відкрити шлях до універсальних квантових комп’ютерів
Команда дослідників з Університету Південної Каліфорнії (USC) запропонувала теоретичний підхід до створення універсальної квантової обчислювальної машини з використанням квазічастинок, які відкидали у традиційних уявленнях про топологічну обробку.
Топологічна квантова обробка базується на захисті квантової інформації за допомогою геометричних властивостей екзотичних квазічастинок — еніонів. Зокрема, активно досліджуються еніони Ізинга, які можуть реалізовуватись у фракційному квантовому стані Холла або топологічних надпровідниках.
Cамі по собі еніони Ізинга мають обмежений функціонал. Вони здатні виконувати лише базовий набір квантових операцій — так звані гейти Кліфорда — через «плетіння» (braiding), тобто фізичне переміщення еніонів навколо одне одного. Для повноцінної універсальної квантової обчислювальної машини цього недостатньо.
Команда математиків і фізиків з USC представила оригінальне рішення: додавання лише одного нового типу еніона дозволяє розширити можливості еніонів Ізинга до повної універсальності. Цю частинку, яку не розглядали в попередніх підходах до топологічної обробки, назвали «неглектон» (від англ. «to neglect» — нехтувати).
За словами науковців, неглектон — стаціонарний еніон, який може бути комбінований з еніонами Ізинга для реалізації будь-якої квантової операції. Важливо, що цей неглектон не переміщується — логічні операції здійснюються шляхом плетіння довкола нього.
Однак нова математична основа має недолік: вона порушує унітарність — принцип, що гарантує збереження ймовірностей у квантовій механіці. Більшість фізиків вважали би це фатальною проблемою, але команда з USC запропонувала витончене рішення. Вони спроєктували логіку комп’ютера так, щоб всі обчислення відбувалися лише в «стабільних кімнатах» математичної моделі, залишаючи «нестабільні» ділянки осторонь.
Це дослідження показує, як абстрактна математика може запропонувати конкретні інженерні рішення. Команда вже працює над розширенням своєї моделі на інші параметри й глибшим аналізом унітарності в нових топологічних теоріях квантового поля.
З експериментального боку, науковці шукають фізичні системи, де можна реалізувати стаціонарний неглектон, та розробляють протоколи, які дозволили б використати цей підхід у реальних квантових пристроях.
Нагадаємо, дослідники з Інституту фотонних квантових систем (PhoQS) та Центру паралельних обчислень (PC2) при Університеті Падерборна в Німеччині розробили відкритий симулятор для моделювання поведінки світла в квантових системах.