Ученые выявили упущенный компонент в решении одной из самых сложных проблем квантовых вычислений, переоценив значение частиц, которые прежде воспринимались как не имеющие математической ценности.
Топологические квантовые компьютеры способны создавать более устойчивые системы, поскольку они кодируют информацию в геометрии частиц, известных как энионы. В настоящее время наиболее перспективным кандидатом является энион Изинга, однако его использование для реализации универсальных квантовых вычислений пока не достигнуто.
Исследование, возглавляемое Филиппо Юлианелли и группой физиков и математиков из Университета Южной Калифорнии, выявило, что повторное рассмотрение ранее исключенных частиц может позволить энионам Изинга осуществлять универсальные квантовые вычисления, используя исключительно их взаимосвязанность. Ученые назвали эти частицы «неглектонами» и представили подробное описание в статье, опубликованной в журнале Nature Communications.
Раскрытие возможностей, предоставляемых топологическими квантовыми системами
Квантовые компьютеры обладают возможностью решения задач, которые не под силу даже самым передовым суперкомпьютерам. Тем не менее, кубиты, являющиеся основой квантовых компьютеров, отличаются высокой чувствительностью и склонностью к ошибкам. Топологические квантовые вычисления предлагают выход из этой ситуации, поскольку информация в них хранится в геометрической структуре энионов.
Энионы – это квазичастицы, которые обнаруживаются исключительно в двумерных структурах. Их характеристики сочетают в себе признаки как бозонов, так и фермионов, в то время как последние встречаются в трехмерных системах.
Аарон Лауда, профессор Университета Южной Калифорнии и ведущий автор исследования, отметил, что энионы Изинга по-прежнему являются перспективными для разработки квантовых компьютеров, однако их переплетение позволяет реализовать лишь ограниченный набор операций, известных как «ворота Клиффорда».
Для решения этой проблемы Лауда и его соавторы вновь обратились к «неглектонам» — частицам, которые ранее не принимались во внимание в рамках общепринятой топологической квантовой теории поля. Благодаря тому, что эти частицы способны оставаться в состоянии покоя, в то время как энионы Изинга образуют вокруг них сложную структуру, становится возможным реализовать полный набор квантовых операций.
«Это все равно, что отыскать драгоценность в том, что другие воспринимали как ненужные математические данные », — отметил Лауда.
От мусора к прорыву: математика открытия
Работа базируется на математических теориях, известных как неполупростые топологические квантовые теории поля (TQFT). Классические «полупростые» методы упрощают вычисления, исключая объекты с «нулевым квантовым следом» и признавая их незначительными. Однако это упрощение могло привести к исключению важного элемента. Использование неглектонов дало возможность выявить недостающий компонент, требуемый для универсальных вычислений в системах Изинга.
Решение проблемы унитарности
Несмотря на перспективность неполупростых теорий, они представляют трудности для физиков, поскольку, по-видимому, противоречат унитарности — основополагающему принципу квантовой механики, гарантирующему непротиворечивость вероятностей.
Вместо полного отказа от этого принципа, Лауда и его команда предложили элегантный выход.
«Представьте, что вы разрабатываете квантовый компьютер в условиях нестабильной архитектуры здания », — объяснил Лауда. «Вместо ремонта каждого элемента, проводятся расчеты в стабильных областях ».
Благодаря изолированию квантовой информации в устойчивых областях теоретических моделей, исследователям удалось избежать трудностей и сохранить точность расчетов.
Перспективы практического применения
Несмотря на то, что исследование является теоретическим, его выводы обладают практической ценностью. Сейчас команда занимается поиском сред, в которых неглектоны могут возникать спонтанно, и разрабатывает методики для осуществления квантовых операций, основанные на их математических достижениях.
В перспективе исследователи намерены расширить область применения своей теории и более детально изучить принципы унитарности в системах, не обладающих свойствами полупростоты.
«Благодаря использованию математических структур, ранее признанных не имеющих практической ценности, был открыт новый этап в развитии науки о квантовой информации », — заявил Лауда.
В случае, если будущие эксперименты подтвердят наличие неглектонов, это позволит полностью реализовать возможности систем, основанных на энионах Изинга.
В журнале была опубликована работа, выполненная Лаудой и его соавторами .