量子计算忙碌的一周：通用任意子、美国能源部路线图与从能量中诞生的物质

这项结果发表在《自然》杂志上，署名单位包括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。它是接连发布的量子计算消息中的最新一项。四天之内，还出现了一份美国能源部路线图，以及一项关于粒子从一段被拉伸的能量弦中形成的模拟。

非阿贝尔任意子在自然界中并不现成存在。它们是在量子电路中产生的：把许多普通量子比特纠缠起来，直到整体状态表现得像一种具有自身规则的新粒子。

每个任意子都带有内部状态。把一个任意子绕另一个移动时，这个状态就会改变，这一过程称为编织，而且移动的先后顺序会影响结果。正因如此，信息才能以普通粒子做不到的方式被编码和操作。早期工作的问题在于，仅靠编织还不够。2024年，包括芝加哥大学普利兹克分子工程学院的Ruben Verresen在内的团队在Quantinuum的机器上构建了与D4对称群相关的任意子，但那个系统无法执行通用量子计算机所需的全部操作。

“在那项工作中，我们没有证明那些涌现出来的力足以进行量子计算，”Verresen在ScienceDaily的报道中说。“我们创造的那个特定宇宙不够强大。”

在新实验中，研究人员换用了另一种对称性S3。它描述的是让等边三角形保持不变的旋转和镜像翻转。他们用54个纠缠量子比特，在Quantinuum的H2离子阱处理器上造出了对应的任意子。S3系统具备D4版本所缺的性质，团队把编织与融合结合起来，得到了完整的通用门集合。

“我们演示了一个所谓的通用门集合，意思是，如果你把信息存储在这些涌现出来的夸克版本中，并让它们移动，你就能完成你可能想做的任何量子计算，”Verresen说。

这件事在物理学之外的意义在于成本。量子计算机容易出错，因此信息要分散到许多物理量子比特上加以保护。这些纠错方案能保存数据，但通常无法提供通用计算所需的全部操作。工程师用专门制备的“魔法态”来填补缺口，而制备魔法态需要密集的蒸馏过程，可能占用机器可用量子比特的很大一部分。

“非阿贝尔编码是量子纠错竞赛中的一匹黑马，”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首个通用门集合，证明容错计算原则上可以不依赖魔法态蒸馏或培养来完成，而后者是标准量子纠错编码中最昂贵的操作。”

这一说法距离可工作的机器还很远，论文是原理验证，不是产品。即便如此，它出现的这一周，整个领域的声音异常密集。

一份路线图、一项模拟和一台制冷机

9月27日，费米实验室发布了美国能源部SCAC量子委员会报告《通往一体化量子未来的道路》。报告提出三阶段计划，目标是在2028年前演示一台具有科学相关性、经过纠错的量子计算机。第一阶段从2026年到2028年，内容是竞争性的“量子大挑战”，把国家实验室、大学和产业界配对。第二阶段将建立能源部量子计算用户设施，报告称其为开放的科学仪器，而不是商业云服务。第三阶段从2030年起，设想把量子协处理器、模拟器和传感器接入能源部的人工智能与高性能计算网络。

报告由费米实验室首席技术官Anna Grassellino主持的小组委员会牵头，芝加哥大学普利兹克分子工程学院的Supratik Guha任副主席。费米实验室表示，这一过程吸收了国家实验室、学术界、产业界和联邦机构数百名贡献者的意见。报告还强调技术中立，拒绝挑选某一种胜出的量子比特类型。

两天前，也就是9月26日，ScienceDaily报道了杜克大学牵头的一项实验，该实验于9月23日发表在《自然·物理》上。研究人员把一个断弦模型编码进由13个离子组成的链中，用激光束调节离子之间的相互作用，然后观察一个非平衡系统如何演化。

模拟的过程是：两个相连的物质基本单元被拉开，直到积累足够多的能量，连接断裂时新的粒子对随之出现。据信，这一机制在大爆炸后不久的极端条件下曾经发生。

“量子计算机模拟是研究物质形成等复杂问题的最佳平台，除非你亲眼目睹了大爆炸本身，”领导这项研究的Christopher Monroe说。团队把量子结果与经典计算做了对比，两者一致。研究人员指出，经典机器目前仍能处理这一规模的模拟，他们预计只有问题规模继续增大，量子硬件才会变得必要。

与此同时，IBM在解决管道问题。该公司8月19日的公告仍是本档案中最新的一则公司披露。公告称，它已把两个低温模块连接并冷却到同一环境中，这是朝着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，在不到五天内冷却到4开尔文，随后降到15毫开尔文以下。IBM表示，每个模块的真空外壳提供的布线空间最多可达其最广泛使用的量子系统的12倍。公司的路线图目标是在2027年实现至少1000个可编程量子比特，并在2029年推出容错机器IBM Quantum Starling。

行业博客SemiEngineering援引MarketsandMarkets的数据称，配套电子设备市场在2025年至2030年的复合年增长率为41.8%，并认为低温下的精确器件模型正成为扩展的瓶颈。那是赞助文章，不是同行评审研究，应当按此看待。

把四项进展放在一起看，图景并不均衡。任意子结果和杜克模拟都是实验室演示，附有明确的保留条件。能源部路线图是计划，不是机器。IBM的低温模块是制造上的里程碑，而这类时间表此前也曾被其他公司推迟。这一周真正显示的是，该领域正在多条战线上同时推进，从特殊粒子的数学到制冷机内部的布线。