義大利貴族博羅梅奧家族的盾徽包含一個令人不安的符號：三個互鎖環的排列，它們無法拉開，但不包含任何連線的對。
同樣的三個方向的連線是量子物理學中最令人垂涎的現象之一的明確標誌——現在首次被觀察到。研究人員使用量子計算機建立了虛擬粒子並移動它們，使其路徑形成博羅梅安環模式。
這些奇異粒子被稱為非阿貝爾任意子，或簡稱非阿貝爾粒子，它們的博羅梅安環僅作為量子計算機內部的資訊而存在。但它們的連線特性可能有助於使量子計算機不易出錯，或更具“容錯性”——這是使其效能超越甚至最好的傳統計算機的關鍵一步。5月9日在預印本上公佈的結果1是在Quantinuum公司的一臺機器上獲得的，該公司是一家位於科羅拉多州布魯姆菲爾德的量子計算公司，由霍尼韋爾的量子計算部門與一家位於英國劍橋的初創公司合併而成。
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Quantinuum公司總裁兼營運長託尼·厄特利說：“這是通往容錯量子計算的可信途徑。”
其他研究人員對虛擬非阿貝爾粒子徹底改變數子計算的潛力不太樂觀，但創造它們本身就被視為一項成就。“這種物理系統具有巨大的數學美感，並且在經歷了漫長的等待後，首次看到它們被實現，這令人難以置信，”英國牛津大學的理論物理學家史蒂文·西蒙說。
籃狀甜甜圈
在實驗中，Quantinuum公司位於德國慕尼黑辦公室的物理學家亨利克·德雷爾和他的合作者使用了該公司最先進的機器H2，該機器的晶片可以產生電場，以捕獲其表面上方32個鐿元素離子。每個離子可以編碼一個量子位元，一個量子計算單元，它可以像普通位元一樣是“0”或“1”，也可以同時是兩種狀態的疊加。
Quantinuum公司的方法具有優勢：與大多數其他型別的量子位元相比，其陷阱中的離子可以移動並相互作用，這就是量子計算機執行計算的方式。
物理學家利用這種靈活性創造了一種異常複雜的量子糾纏形式，其中所有32個離子共享相同的量子態。透過設計這些相互作用，他們建立了一個虛擬的糾纏晶格，其結構為籠目——一種用於日本竹編的圖案，類似於重複重疊的六角星——摺疊成甜甜圈形狀。糾纏態代表虛擬二維宇宙的最低能量態——本質上是根本不包含粒子的態。但透過進一步的操作，籠目可以被置於激發態。這些對應於應該具有非阿貝爾粒子性質的粒子的出現。
為了證明激發態是非阿貝爾粒子，該團隊進行了一系列測試。最確鑿的測試包括移動激發態以建立虛擬博羅梅安環。德雷爾說，在操作期間和之後對離子狀態的測量證實了該模式的出現。
哈佛大學位於馬薩諸塞州劍橋市的理論物理學家、該論文的共同作者阿什文·維什瓦納特說：“沒有兩個粒子相互環繞，但它們共同連線在一起。”“這真是一種驚人的物質狀態，我們在任何其他裝置中都沒有非常清晰的實現。”
普渡大學位於印第安納州西拉法葉的實驗物理學家邁克爾·曼弗拉說，儘管結果令人印象深刻，但Quantinuum公司的機器並沒有真正創造出非阿貝爾粒子，而只是模擬了它們的一些特性。但作者表示，粒子的行為符合定義，並且出於實際目的，它們仍然可以構成量子計算的基礎。
量子血統
像博羅梅奧家族一樣，非阿貝爾粒子在物理學和數學中也擁有悠久的譜系，包括導致了多項諾貝爾獎和菲爾茲獎的工作。非阿貝爾粒子是一種任意子，一種只能存在於二維宇宙或物質被困在二維表面（例如在兩種固體材料的介面處）的情況下的粒子。
任意子違背了物理學家最珍視的假設之一：所有粒子都屬於費米子或玻色子這兩個類別之一。當兩個相同的費米子交換位置時，它們的量子態（稱為波函式）會在（稱為希爾伯特空間的數學空間中）翻轉180度。但是當玻色子被交換時，它們的波函式保持不變。
另一方面，當兩個任意子被交換時，這兩個選項都不適用。相反，對於標準的“阿貝爾”任意子，波函式會偏移一定的角度，不同於費米子的180度。非阿貝爾任意子的反應是以更復雜的方式改變它們的量子態——這至關重要，因為它應該使它們能夠執行非阿貝爾量子計算，這意味著如果以不同的順序執行計算，則會產生不同的結果。
拓撲魯棒性
非阿貝爾粒子還可以提供優於大多數其他量子計算方式的優勢。通常，單個量子位元中的資訊往往會迅速退化，產生錯誤——這限制了在有用的量子計算方面取得進展。物理學家已經開發了各種糾錯方案，這些方案將需要將量子位元編碼在許多原子（可能數千個）的集體量子態中。
但是非阿貝爾粒子應該使這項任務容易得多，因為當它們相互環繞時所追蹤的路徑應該對錯誤具有魯棒性。諸如磁場干擾之類的擾動可能會稍微移動路徑，而不會改變其連線的定性性質，即它們的拓撲結構。
非阿貝爾粒子的概念及其作為“拓撲量子位元”的潛力最早是由理論物理學家阿列克謝·基塔耶夫在20年前提出的，他現在在加利福尼亞州帕薩迪納市的加州理工學院2。包括曼弗拉在內的物理學家一直在努力創造自然包含非阿貝爾粒子並因此可以作為拓撲量子位元平臺的物質狀態。微軟已將拓撲量子位元作為開發量子計算機的首選方法。
維什瓦納特說，Quantinuum公司機器中的非阿貝爾粒子是重要的初始步驟。“為了進入那個遊戲——甚至成為拓撲量子計算機的競爭者——你需要採取的第一步是創造這樣的狀態，”他說。
西蒙說，虛擬非阿貝爾粒子方法可能對量子計算有用，但它是否比其他糾錯方案更有效還有待觀察——其中一些方案也受到拓撲學的啟發。曼弗拉和微軟正在研究的物理任意子將具有開箱即用的拓撲魯棒性。德雷爾說，目前，他的團隊的非阿貝爾粒子最終會有多高效仍不清楚。
本文經許可轉載，並於2023年5月9日首次發表。