Квантовые вычисления сталкиваются с главной преградой не в скорости, а в стабильности. Кубиты крайне хрупки, легко разрушаются от внешнего шума. Это делает масштабирование надёжного квантового компьютера огромной инженерной задачей. Одно из наиболее многообещающих решений — топологические квантовые вычисления, которые кодируют информацию не в состоянии частицы, а в геометрическом «плетении» квазичастиц, называемых анионами. Этот подход по своей природе более устойчив к декогеренции.
Однако у ведущих кандидатов для этого подхода, известных как анионы Изинга, есть критический недостаток: они не являются «универсальными». Выполнение вычислений путём их плетения подобно попытке печатать с половиной отсутствующих клавиш на клавиатуре — вы можете выполнять некоторые операции, но не полный набор, необходимый для вычислений общего назначения.
Прорыв из отброшенной математики
Недавнее исследование, опубликованное в Nature Communications, предлагает элегантное решение, пересматривая математические концепции, которые ранее считались бесполезными. В стандартных моделях, используемых для описания анионов (полупростые топологические квантовые теории поля), определённые частицы с «квантовой размерностью» нуля просто отбрасывались.
Исследователи, возглавляемые командой из Университета Южной Калифорнии, решили внимательнее изучить более сложную структуру, которая сохраняет эти объекты. Они обнаружили, что одна из этих ранее игнорируемых частиц обеспечивает именно тот недостающий ингредиент, который делает системы анионов Изинга универсальными. Они метко назвали эти возрождённые частицы «неглектонами».
Как один «неглектон» завершает систему
Прорыв заключается в его простоте. Введение всего лишь одного стационарного неглектона в систему позволяет плетению анионов Изинга вокруг него разблокировать полный набор вычислительных вентилей, необходимых для универсальных квантовых вычислений. Неглектон действует как фиксированный якорь, который позволяет выполнять ранее невозможные операции, фактически добавляя недостающие клавиши обратно на клавиатуру.
Эта новая математическая структура принесла с собой собственную проблему — она нарушает унитарность, фундаментальный принцип квантовой механики. Однако команда разработала хитроумное обходное решение. Они спроектировали своё квантовое кодирование таким образом, чтобы изолировать эти математические нерегулярности, гарантируя, что фактическое вычисление происходит только в «структурно надёжных» частях теории. Это практическое решение глубокой теоретической проблемы, изолирующее нестабильность, чтобы она не влияла на конечный результат.
От абстрактной теории к практической цели
Это открытие — больше, чем математическое любопытство. Оно предоставляет конкретную цель для физиков-экспериментаторов. Вместо поиска совершенно новых экзотических материалов, исследователи теперь могут искать доказательства существования неглектонов в тех же двухмерных системах, где уже исследуются анионы Изинга.
Хотя топологические квантовые компьютеры пока не стали реальностью, эта работа устраняет критический теоретический пробел. Она демонстрирует, как пересмотр фундаментальных математических предположений может решить ощутимые инженерные узкие места, приближая нас на один шаг к созданию по-настоящему отказоустойчивого квантового компьютера.