摘要：量子计算机拥有解决当今最快超级计算机也无法企及问题的潜力，被视作“未来算力引擎”。但现实是，现有的量子机器极其脆弱。存储和处理信息的量子比特（“qubit”）极易受到环境干扰，导致错误迅速累积，这让通用量子计算的实现屡屡受阻。

量子计算机拥有解决当今最快超级计算机也无法企及问题的潜力，被视作“未来算力引擎”。但现实是，现有的量子机器极其脆弱。存储和处理信息的量子比特（“qubit”）极易受到环境干扰，导致错误迅速累积，这让通用量子计算的实现屡屡受阻。

不过，拓扑量子计算的出现，让科学界看到了破局的希望，它被认为是克服这一挑战最有前景的方法之一。其核心是将量子信息编码在名为任意子的奇异粒子的几何属性中，从而保护信息。这些粒子预计存在于某些二维材料中，预估比传统量子比特更能抵抗噪声和干扰。

南加州大学多恩西夫文理学院数学、物理与天文学教授、该研究的资深作者亚伦·劳达（Aaron Lauda）表示，在构建此类计算机的候选方案中，伊辛任意子（Ising anyons）是候选者中的佼佼者。由于它们有望在诸如分数量子霍尔态和拓扑超导体等奇异系统中实现，凝聚态实验室已经在对其进行深入研究。

他还指出，仅凭自身，伊辛任意子无法完成通用量子计算机所需的所有操作。它们支持的计算依赖于‘编织’，即通过物理移动任意子来执行量子逻辑。对于伊辛任意子而言，这种编织仅能实现一组有限的操作（即克利福德门），而这远不足以满足通用量子计算所需的全部能力。

但在《自然通讯》上发表的一项研究中，由南加州大学研究人员领衔的数学家和物理学家团队展示了一种令人惊讶的解决方案。

通过添加一种此前在传统拓扑量子计算方法中被舍弃的新型任意子，研究团队证明伊辛任意子可被赋予通用性，仅通过编织操作即可执行任何量子计算。

该团队将这些被重新发现的粒子命名为“弃子（neglectons）”，这一名称既反映了它们曾被忽视的地位，也凸显了其新发现的重要性。这种新型任意子自然产生于一个更广泛的数学框架中，并恰好提供了完善计算工具包所需的缺失关键要素。

从数学垃圾到量子宝藏

关键在于一类名为“非半单拓扑量子场论”（TQFTs）的新型数学理论。这些理论扩展了物理学家通常用来描述任意子的标准“半单”（semisimple）框架。传统模型通过舍弃所谓“量子迹为零”的对象来简化底层数学，实际上宣布它们无用。

劳达解释说，事实证明，这些被丢弃的对象恰恰是缺失的部分，这就像在别人认为是数学垃圾的地方发现了宝藏。”

新框架保留了这些被忽视的成分，并揭示了一种新型的任意子——弃子。当与伊辛任意子结合时，仅通过编织操作即可实现通用计算。至关重要的是，只需一个弃子，且在计算过程中保持静止，而计算是通过让伊辛任意子在它周围编织来完成的。

编织操作 J4 的示意图：该操作在远离初始 α 型粒子的单个量子比特上实现对角作用

一栋有不稳定房间的房子

这一发现并非没有数学上的挑战。非半单框架引入了违反幺正性的不规则性，而幺正性是确保量子力学保持概率的基本原则。大多数物理学家都会认为这是致命缺陷。

但劳达的团队找到了一种优雅的解决方法。他们设计了量子编码方案，将这些数学上的不规则性与实际计算隔离。劳达将其比作在一座有些房间不稳固的房子里设计量子计算机：与其修复每个房间，不如确保所有的计算都在结构稳固的区域进行，同时将有问题的空间隔离禁止进入。

劳达表示，他们实际上将理论中的异常部分进行了隔离，通过精心设计量子信息存储的位置，确保其始终位于理论中行为正常的区域，从而使计算即使在整体结构存在数学异常时也能正常运行。

编织操作 W 和 D 示意图。注意：若控制粒子轨迹（绿色）处于真空态，则编织操作具有拓扑平庸性。

从纯数学到量子现实

这一突破性成果展示了抽象数学如何以意想不到的方式解决具体工程问题。

劳达表示，通过采用此前被认为无用的数学结构，我们为量子信息科学开辟了全新篇章。

该研究在理论和实践层面均开辟了新方向。在数学层面，研究团队正致力于将框架扩展至其他参数值，并阐明幺正性在非半单拓扑量子场论中的作用。

在实验层面，他们的目标是确定可能产生静止弃子的特定材料平台，并开发协议，将他们的基于编织的方法转化为可实现的量子操作。

劳达称，特别令人兴奋的是，这项工作使我们更接近于利用已知如何创建的粒子实现通用量子计算。

他还指出，数学给出了一个清晰的目标：如果实验物理学家能找到一种方法来实现这个额外的静止任意子，它就能解锁基于伊辛任意子系统的全部能力。

来源：光电查