陈根：谷歌量子人工智能首次编织非阿贝尔任意子

文/陈根

日前，据《自然》杂志最新发表的论文，谷歌使用他们的超导量子处理器观察非阿贝尔任意子的奇特行为，并展示了如何使用这种现象来执行量子计算。紧随其后，量子计算公司Quantinuum发布的研究成果补充了谷歌的初步发现。这些研究成果为拓扑量子计算开辟了一条新途径，其中的操作是通过将非阿贝尔任意子缠绕在一起来实现的，就像编织中的绳子一样。

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所谓非阿贝尔任意子，是一种在拓扑量子计算和拓扑量子场论中引起广泛研究的粒子模型。任意子是在二维和更高维度的拓扑系统中，存在的一种不同于玻色子和费米子的粒子。作为量子力学中的一类统计粒子，非阿贝尔任意子是一种特殊类型的任意子，其统计交换行为不仅取决于交换的顺序，还取决于粒子的内部状态。同时，非阿贝尔任意子也被认为是一种稳定的量子比特，可以用于实现拓扑量子计算的容错性。拓扑量子计算是一种新型的量子计算模型，通过利用拓扑性质来储存和操作量子信息。非阿贝尔任意子作为拓扑量子比特的载体，具有一些特殊的性质，例如它们的量子态可以被纠缠编码并保护免受环境的扰动。

“首次观察到非阿贝尔任意子的奇异行为，确实突出了我们现在可以使用量子计算机访问的令人兴奋的现象类型。”谷歌量子AI团队成员Trond I. Andersen说，难以想象本不可能看到的两个相同的物体是否来回交换，却有可能被非阿贝尔任意子打破这一规则。量子力学支持这种观点，但仅限于在三维世界。如果嫁接到二维平面内，量子力学将允许一些奇怪的事情发生：非阿贝尔任意子保留着一种记忆，尽管它们完全相同，但可以分辨出它们中的两个何时被交换了。

在一系列实验中，谷歌的研究人员观察了非阿贝尔任意子的行为，以及它们如何与更普通的阿贝尔任意子相互作用；而将两种类型的粒子相互缠绕在一起则会产生奇怪的现象：粒子神秘地消失、重新出现，并在它们相互缠绕并碰撞时从一种类型转变为另一种类型。

研究团队观察到非阿贝尔任意子的标志：当其中两个交换时，会导致其系统的量子态发生可测量的变化，这是一种以前从未观察到的惊人现象。同时，研究团队还展示了如何在量子计算中使用非阿贝尔任意子的编织。通过将几个非阿贝尔任意子编织在一起，他们能够创建一种众所周知的量子纠缠态——Greenberger-Horne-Zeilinger态。