當前位置:
首頁 > 最新 > 「瘋狂」的量子准粒子 打造非糾錯型量子計算機之基

「瘋狂」的量子准粒子 打造非糾錯型量子計算機之基

近日,通過測量一種特殊物質態下的熱傳導方式,研究人員為一種被稱為「非阿貝爾任意子(non-Abelian anyons)」的粒子的存在提供了證據,這些粒子可以存儲量子信息而不需要糾錯。

在粒子物理學的標準模型中,只有兩類粒子:費米子(fermions)和玻色子(bosons)。所有的粒子,除了具有質量和電荷外,還具有自旋的性質。粒子的自旋為半整數(±1/2、±3/2、±5/2…)的稱為費米子,例如,電子;自旋為整數(0、±1、±2…)的稱為玻色子,例如,光子。這兩種粒子組成了我們每天所遇見的的一切。

但是在像量子霍爾液體(quantum Hall liquid)這樣的二維繫統中,可以存在其他類型的粒子,稱之為任意子(anyons)。一般來說,任意子被分為兩類:阿貝爾和非阿貝爾任意子。阿貝爾任意子(Abelian anyons)的所有行為基本與費米子一樣,但非阿貝爾任意子則完全不是,因為沒有一個更好的方式進行表達,研究人員將它的行為描述為「完全瘋狂」。

它們具有非常奇怪的性質,在一個具有非阿貝爾任意子系統中,存在一個複合粒子,其統計標記不是由其分量的統計標籤唯一確定的,而是作為量子疊加存在的。如果所有的任意子的整體融合統計量是已知的,那麼在這些任意子系統中的一些子集的融合統計仍然存在不確定性,並且每種可能性都是一個獨立的量子態。

這些多態提供了希爾伯特空間,它們可以用於量子計算,或者更具體地說,被稱為拓撲量子存儲器。

拓撲等價物體,拓撲結構如同橡皮泥一般,無論如何干擾,只要保持其運動連續性,從拓撲角度來看,都是一樣的(上下排物體看似不同,在拓撲結構上完全一致)

這也正是微軟所開展量子計算機的研究方向。與Intel、IBM、Google等所研究的常規量子計算機不同,或者更確切的說,與常規量子計算機所需的「量子比特」不同,微軟的拓撲量子計算機所需的「拓撲量子比特(Topological qubit)」—一即非阿貝爾任意子,不僅可以存儲量子信息而且並不需要進行量子糾錯,研究人員不需要創造出一個額外的大型陣列的量子比特,來修正測量等邏輯操作破壞量子態而產生/由系統本身具有的隨機波動而引起邏輯誤差。

正如之前かめなしくん所撰寫的《GKP code和Surface code的混合雙打,能否在QEC比賽中取得一分》一文中所描述的那樣,QEC的重要性毋庸置疑。但微軟的拓撲量子計算機,具有所需要的非阿貝爾任意子非常規的「瘋狂」特性,研究人員發現在非阿貝爾系統中,可以對這些局部量子數進行隨機擾動,同時它不會改變全局量子數,這意味著系統中量子比特所攜帶的信息是安全的。

這意味著拓撲量子計算機對於外界的干擾具有想到的容錯率,不再需要做大量昂貴的誤差校正。

PhD candidate Alice Mahoney with one of the refrigerators in Sydney University"s Microsoft』s Station Q,Image:which-50.com

1988年,Jürg Fr?hlich證明了在粒子交換為monoidal的自旋統計定理下非阿貝爾任意子是有效的。但至今為止並沒有實驗能夠確證明明非阿貝爾任意子的存在,或者實驗結果存在爭議性。

近日,位於以色列的Weizmann科學研究所領導的研究團隊在《自然》上發表論文稱,他們通過實驗證明了非阿貝爾任意子的存在,研究人員通過測量一種特殊物質態——量子霍爾液體的物質態下的熱傳導率,為「非阿貝爾任意子」粒子的存在提供了證據。

實驗裝置示意圖

研究團隊在這種被稱為量子霍爾液體的特殊物質態下研究熱導率時,發現在自旋為5/2的量子霍爾液體這個二維繫統中,量子化的熱傳導率並不是一個整數。這意味著系統中存在非阿貝爾任意子,這種量子准粒子能夠對過去的運動路徑保留「記憶」。

理論物理學家認為這種保留「記憶」的能力可以用於存儲信息,並且可能對開發無需QEC的超快量子計算系統起到很大幫助。

研究團隊的Dmitri Feldman教授稱,在我們所研究的特定二維繫統中,有一種被人們成為天使粒子的「馬約拉納費米子(Majorana fermion)」准粒子在起作用。這意味著基於「天使粒子」的量子計算機是可能實現的,更重要的是,或許在未來會對具有更加超絕的理論化量子計算平台——「parafermions」平台的證明起到決定性作用。

資料來源  /  Reference

https://en.wikipedia.org/wiki/Anyon

Non-Abelian anyons and topological quantum computation

Chetan Nayak, Steven H. Simon, Ady Stern, Michael Freedman, and Sankar Das Sarma

DOI:10.1103.80.1083

https://en.wikipedia.org/wiki/Topological_quantum_computer

https://www.microsoft.com/en-us/research/group/microsoft-quantum-santa-barbara-station-q/

Observation of half-integer thermal Hall conductance

Mitali Banerjee, Moty Heiblum, Vladimir Umansky, Dima E. Feldman, Yuval Oreg & Ady Stern


喜歡這篇文章嗎?立刻分享出去讓更多人知道吧!

本站內容充實豐富,博大精深,小編精選每日熱門資訊,隨時更新,點擊「搶先收到最新資訊」瀏覽吧!


請您繼續閱讀更多來自 量子通信和量子計算 的精彩文章:

朋友,量子計算了解一下

TAG:量子通信和量子計算 |