通用任意子、美国能源部路线图与早期宇宙模拟：量子计算的一周

研究团队在Quantinuum的H2离子阱处理器上用了54个纠缠量子比特，搭出他们所说的通用门集。论文合著者、芝加哥大学普利兹克分子工程学院助理教授Ruben Verresen说：“我们展示了一个所谓的通用门集。把信息存储在这些夸克的涌现版本里，再让它们移动，你就能完成任何想要的量子计算。”这段话引自ScienceDaily。

这个结论之所以重要，是因为量子纠错通常要付出取舍。受保护的逻辑量子比特能抵抗噪声，但保护本身给不出通用机器所需的全部操作。工程师用魔法态来补这个缺口。制备魔法态要在量子比特和时间上付出高昂代价。

非阿贝尔任意子走的是另一条路。它们在自然界中并不以独立粒子的形式存在。研究人员把许多普通量子比特纠缠成一个集体状态，让它表现得像一个有自身规则的新粒子。让一个任意子绕另一个移动，这一过程叫编织，会改变这对任意子的内部状态。这些移动的顺序携带着信息。

论文合著者、Quantinuum慕尼黑办公室董事总经理兼科学负责人Henrik Dreyer说：“非阿贝尔码是量子纠错竞赛中的一匹黑马。在这项工作中，我们展示了非阿贝尔码中的首个通用门集，证明容错计算原则上可以不依赖魔法态蒸馏或培养，而这两者是标准量子纠错码中最昂贵的操作。”

新实验延续了同一批研究人员2024年的工作。当时他们在Quantinuum的机器上造出了与D4对称群相关的任意子，但仅靠编织还不够。Verresen说：“我们创造的那个特定宇宙不够强大。”团队随后转向S3对称性，也就是让等边三角形保持不变的旋转和反射。

华盛顿把目标定在2028年

同一周，美国能源部发布了一份国家量子计算路线图。费米实验室9月27日发布了这份报告，并称文件来自一项全领域的工作，由科学办公室咨询委员会量子小组委员会牵头，费米实验室首席技术官Anna Grassellino任主席，芝加哥大学教授Supratik Guha任副主席。报告给出了一条以里程碑为节点的路径，目标是展示量子计算的科学实用性，并把量子系统与能源部各实验室的研究基础设施、高性能计算和人工智能结合起来。

路线图设了一个三阶段框架。第一阶段从2026年到2028年，设立有竞争性的“大挑战”项目，把国家实验室、大学和产业界配对。第二阶段计划建设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、模拟器和传感器融入该部门现有的高性能计算与人工智能网络。公开目标是在2028年前造出一台具有科学意义、经过纠错的量子计算机。

更小的机器，不同的问题

在另一项工作中，杜克大学的研究人员报告用一台13离子的量子模拟器复现了弦断裂，这一过程与大爆炸之后极端条件下粒子与反粒子的形成有关。成果9月23日发表在《自然·物理》上，ScienceDaily9月26日报道。杜克量子中心这项研究的负责人Christopher Monroe说：“量子计算机模拟是研究物质形成这类复杂问题的最佳平台，除非我们亲眼见证大爆炸本身。”

这项合作还包括马里兰大学、牛津大学、加州理工学院、康奈尔大学和鲁汶大学。研究人员表示，在这一规模上，经典计算的结果与量子结果一致，不过他们预计随着问题规模变大，量子机器将接手。ScienceDaily指出，另外两项近期发表的研究在不同硬件上复现了类似的物理现象，说明这一结果并非孤例。

硬件厂商也在工程一侧推进。IBM8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，温度降到15毫开尔文以下，这是其2029年造出容错机器路线图的一部分。ScienceDaily的网络9月21日转载了这篇报道。IBM称，每个模块提供的布线空间最多是其使用最广泛的量子系统的12倍，并计划今年晚些时候把Nighthawk处理器装入这些模块。

有一点需要说明。任意子的成果是在54个量子比特上的演示，不是一台可用的计算机；杜克的模拟则运行在13个离子上。

能源部路线图本身把2028年定为展示科学实用性的目标，而不是交付日期。Quantum Zeitgeist9月26日、费米实验室9月27日对这份路线图的报道在实质上一致，两者都没有声称已有机器存在。