芝加哥团队称非阿贝尔任意子可运行任意量子计算

这项实验发表在《自然》杂志上，芝加哥大学于9月25日公布。研究把编织与融合结合起来，得到了一套通用门集。《科学日报》转载了校方发布的新闻稿。报道提到，参与工作的有芝加哥大学普利兹克分子工程学院、哈佛大学、石溪大学和Quantinuum。

通用意味着机器能运行任何量子算法，而不只是某一项专门任务。这次的结果是在54个量子比特上做出的原理验证，还不是一台能实际工作的通用计算机。

纠错是该领域核心的工程难题。量子计算机很脆弱，信息通常要分散到许多物理量子比特上才能抵御噪声。但这些受保护的状态一般无法执行通用机器所需的全部操作。工程师用“魔术态”来填补缺口，这是一种预先制备的资源，需要经过称为蒸馏的提纯步骤。这个过程可能占用机器可用量子比特的很大一部分。新论文认为，非阿贝尔任意子或许能完全避开这笔开销。

“在量子纠错的竞赛中，非阿贝尔编码是一匹黑马，”Quantinuum慕尼黑办公室总经理兼科学负责人、该研究合著者Henrik Dreyer说。“在这项工作中，我们展示了非阿贝尔编码中的第一套通用门集，说明容错计算原则上可以不做魔术态蒸馏或培育，而这两者是标准量子纠错编码中最昂贵的操作。”

任意子在自然界中并不作为独立粒子存在。科学家在电路内部把它们造出来，让许多普通量子比特纠缠成一个遵循自身规则的集体状态。把一个任意子绕另一个任意子移动，这个过程叫编织，它会改变编码后的状态。这些移动的先后顺序会影响结果，这正是“非阿贝尔”的含义。由于信息分散在整个纠缠组中，它也能免受某些小的扰动。

2024年，部分相同的研究人员做过一项更早的实验，造出了与名为D4的对称群相关的任意子。这个群是让正方形保持不变的旋转和反射。该工作在一台Quantinuum离子阱机器上运行，证明这些粒子可以被制造和移动。但仅靠编织还不足以实现通用计算。

“在那项工作中，我们没有证明这些涌现出来的力足以完成量子计算，”芝加哥大学普利兹克分子工程学院分子工程助理教授、合著者Ruben Verresen说。“我们造出的那个特定宇宙不够强大。”

在新研究中，团队改用S3，即等边三角形的对称群。他们在Quantinuum的H2处理器上用54个纠缠量子比特造出了相应的任意子。在校方发布的评论中，Verresen把这些编码形容为“创造小宇宙”。论文的结论范围很窄，也可以检验：这种特定的编码在硬件上支持一套通用门集。

同一周，美国能源部讨论了另一个问题：量子计算机应该用来做什么。9月25日，费米实验室发布了SCAC量子委员会报告《通往集成量子未来的道路》。这份报告源于一项全领域的工作，由费米实验室首席技术官Anna Grassellino担任主席，芝加哥大学教授Supratik Guha担任副主席。

报告设定了一条以里程碑为节点的路线，目标是在2028年前造出一台具有科学价值、完成纠错的量子计算机。它勾勒出一个三阶段方案。第一阶段是2026年至2028年开展有竞争性的“重大挑战”项目，把国家实验室、大学和产业界配对。第二阶段是能源部的量子计算用户设施，报告把它描述为开放的科研仪器，而不是商业云服务。第三阶段从2030年起，把量子处理器整合进能源部的高性能计算与人工智能基础设施。报告列出的目标应用包括用于药物发现的分子预测、制造业催化剂、聚变相关材料以及早期宇宙物理。

硬件厂商同时在低温一侧推进。IBM在8月19日表示，它已把两套模块化低温系统接入并冷却到同一个环境中。这是朝连接数百个量子芯片迈出的一步。这些模块高超过8英尺、宽8英尺，能在不到五天内冷却到4000开尔文以下的4开尔文水平，并达到低于15毫开尔文。IBM称这比深空还冷180多倍。公司计划今年晚些时候在模块中安装Nighthawk处理器，目标仍是在2029年推出容错机器Starling。

在量子比特和制冷机之间，还有一个不太显眼的问题：对必须在绝对零度以上几度工作的控制与读出电子学进行建模。9月24日《半导体工程》刊发的一篇赞助文章介绍了一套流程。它先在室温下提取BSIM-BULK紧凑模型，再用混合神经网络，借助4开尔文或更低的测量数据，学习基于物理的模型无法捕捉的低温残余行为。文章引用MarketsandMarkets的数据，称2025年至2030年量子计算市场的复合年增长率为41.8%。这是厂商一侧的预测，不是实测结果。

九月的这两项发布指向相反的方向。任意子的结果是一个具体、经硬件验证的论断，针对通往容错的一条路线。作者明确表示，它只是在原则上省去一个昂贵的步骤，而不是在生产机器上做到。能源部的路线图是一份带日期的政策文件，背后没有新实验。

有一处分歧很突出。SCAC报告主张，衡量成功应看科学用途，而不是以硬件为中心的里程碑。可同一份路线图仍然承诺在2028年前拿出纠错机器。这两个标准并不相同，报告没有把它们调和起来。

近期的检验在于其他团队能否复现S3的通用门集，也在于基于融合的操作能否扩展到54个量子比特以上。在那之前，这匹黑马赢下的是一场竞赛，而不是那场竞赛。