摘要：南加州大学研究团队在量子计算领域取得了一项令人瞩目的突破，他们发现了一种此前被学术界忽视的粒子——"neglecton"（遗忘子），这一发现可能彻底改变拓扑量子计算的发展轨迹。这种被研究人员从"数学垃圾"中拯救出来的粒子，为实现通用量子计算提供了全新的可能性。

南加州大学研究团队在量子计算领域取得了一项令人瞩目的突破，他们发现了一种此前被学术界忽视的粒子——"neglecton"（遗忘子），这一发现可能彻底改变拓扑量子计算的发展轨迹。这种被研究人员从"数学垃圾"中拯救出来的粒子，为实现通用量子计算提供了全新的可能性。

当前量子计算面临的最大挑战是量子比特的脆弱性。传统量子比特极易受到环境干扰，导致计算错误快速累积，严重限制了量子计算机的实用性。拓扑量子计算被视为解决这一难题的最有前景的方案之一，它通过将量子信息编码到奇异粒子任意子的几何性质中来保护量子信息。

对百岁老人的研究往往是小规模的。（Halfpoint Images/Getty Images）

南加州大学数学、物理与天文学教授亚伦·劳达解释说："在构建这种计算机的领先候选方案中，伊辛任意子因其在分数量子霍尔态和拓扑超导体等奇异系统中的潜在实现而备受凝聚态物理实验室关注。"然而，单纯的伊辛任意子无法执行通用量子计算所需的全部操作，其计算能力仅限于通过"编织"操作实现的克利福德门，远未达到通用量子计算的完整功能。

从被遗弃到被重新发现

研究团队在《自然·通讯》期刊发表的这项研究中，展示了一个令人惊讶的解决方案。通过添加单一一种新型任意子——此前在传统拓扑量子计算方法中被丢弃的粒子——他们证明了伊辛任意子可以实现通用性，仅通过编织操作就能执行任何量子计算。

这种被"拯救"的粒子被研究团队命名为"neglecton"，这个名称既反映了它们被忽视的地位，也体现了其新发现的重要性。这种新任意子从更广阔的数学框架中自然涌现，恰好提供了完成计算工具包所需的缺失成分。

关键突破来自一类被称为非半单拓扑量子场论的新数学理论。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"框架。传统模型通过丢弃所谓"量子迹为零"的对象来简化基础数学，实际上将它们宣布为无用。

劳达教授指出："但那些被丢弃的对象原来就是缺失的部分。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组件，并揭示了一种新型任意子——neglecton——当它与伊辛任意子结合时，允许仅使用编织就能实现通用计算。

解决数学不规则性挑战

这一发现并非没有数学挑战。非半单框架引入的不规则性违反了确保量子力学保持概率性的基本原理——幺正性。大多数物理学家会将此视为致命缺陷，但劳达团队找到了一个优雅的解决方案。

他们设计的量子编码将这些数学不规则性从实际计算中隔离出来。劳达用形象的比喻解释："这就像在一栋有些不稳定房间的房子里设计量子计算机。与其修复每个房间，你确保所有计算都在结构稳固的区域进行，同时将有问题的空间设为禁区。"

研究团队有效地"隔离"了理论的奇异部分。通过仔细设计量子信息存储的位置，他们确保信息停留在理论表现正常的部分，因此即使全局结构在数学上不寻常，计算仍能正常工作。

理论突破的实际意义

这一突破展示了抽象数学如何以意想不到的方式解决具体的工程问题。劳达表示："通过拥抱以前被认为无用的数学结构，我们为量子信息科学开启了全新的篇章。"

研究开辟了理论和实践的新方向。在数学层面，团队正在努力将其框架扩展到其他参数值，并阐明幺正性在非半单拓扑量子场论中的作用。在实验方面，他们旨在识别静止neglecton可能出现的特定材料平台，并开发将基于编织的方法转化为可实现量子操作的协议。

特别令人兴奋的是，这项工作让我们更接近使用已知如何创建的粒子实现通用量子计算。数学给出了明确的目标：如果实验学家能找到实现这种额外静止任意子的方法，就可能释放基于伊辛系统的全部潜力。

这项研究不仅为拓扑量子计算提供了新的理论基础，更重要的是，它证明了在被遗弃的数学概念中可能隐藏着解决现实世界技术挑战的关键。随着量子计算技术的快速发展，这种从理论数学到实际应用的转化路径可能成为突破当前技术瓶颈的重要途径。

来源：人工智能学家