物理学家创造出了难以捉摸的粒子，任意子，它们能记住自己的过去

四十年前，弗兰克·威尔切克在思考一种奇特的粒子，这种粒子只能在二维宇宙中生存。经计算，威尔切克发现这些理论上的粒子拥有超凡的记忆，这种记忆深深地融入了宏观现实，任何干扰都无法抹去。

研究人员在过去的三十年左右的时间里花费了数百万美元试图捕获并这种被称为非阿贝尔任意子（non-abelian anyons）的粒子。现在，两个具有里程碑意义的论文终于 实现了这一目标。

首先，物理学家最近宣布，他们已经利用最先进的处理器，合成并操控了非阿贝尔任意子。

其次，这个实验基于去年秋天谷歌的研究人员提出的一个概念性证明，即信息可以在非阿贝尔任意子共享的记忆中储存和操控。

这两篇论文展示了量子设备日益增长的能力，同时提供了对未来量子计算的窥视：通过保持在空间和时间中旅行的几乎不可破坏的记录，非阿贝尔任意子可能是建立量子计算机的最佳方案。

平面计算（Flatland Computing）

1982年，威尔切克帮助物理学家们拓展了思维，理解了在二维空间中可能存在的各种粒子。他研究了将量子法则限制在一个完全平坦的假想宇宙中的情况，发现这个宇宙中将包含带有分数自旋和电荷（fractional spins and charges）的奇怪粒子。尽管这些粒子在一些方面可能无法区分，但是在二维物理系统中，交换它们的位置可能会改变它们的状态，这在三维物理系统中是无法实现的。威尔切克将这些二维粒子命名为任意子（anyons），因为它们似乎几乎可以做任何事。

威尔切克关注的是最简单的阿贝尔任意子（abelian anyons），这些粒子在交换时会以无法检测的微妙方式发生变化。

他没有探索更奇特的例子——非阿贝尔任意子，即共享记忆的粒子。交换两个非阿贝尔任意子的位置会产生直接可观察的效应。这会改变它们共享的波函数状态，波函数是描述系统量子性质的量。如果你遇到两个相同的非阿贝尔任意子，通过测量它们处于哪种状态，你可以判断它们是否一直处于这些位置，或者它们的路径是否交叉 —— 这是其他任何粒子都无法做到的。

这个概念似乎太过奇特，无法发展成为一个正式的理论。

但是在1991年，两位物理学家找到了这些状态。他们预测，当受到足够强的磁场和足够低的温度的影响，电子会以恰当的方式旋转，形成非阿贝尔任意子。这些任意子不会是基本粒子（3维世界禁止这样），它们是“准粒子（quasiparticles）”。准粒子是粒子的集合，但最好将它们视为单独的单位。准粒子有精确的位置和行为，就像水分子集合产生波浪和漩涡一样。

在1997年，加利福尼亚理工学院的理论家阿列克谢·基塔耶夫指出，这样的准粒子可以为量子计算机打下完美的基础。但是，量子计算机的构建块——量子比特，很脆弱。他们的波函数在最轻微的扰动下就会坍塌，从而抹去他们的记忆和执行量子计算的能力。这种脆弱性使得量子计算难以实现。。

基塔耶夫意识到，非阿贝尔任意子的共享记忆可以作为理想的量子比特。首先，它是可塑的。可以通过以称为“编织（braiding）”的方式交换任意子的位置来改变量子比特的状态——将零翻转为1。

你还可以读出量子比特的状态。例如，当最简单的非阿贝尔型任意子聚集在一起并“融合”时，只有在它们被编织在一起的情况下，它们才会发出另一个准粒子。这个准粒子作为他们在空间和时间中交叉行进的物理记录。

最重要的是，记忆几乎无法被破坏。只要任意子保持足够的距离，对任何单个粒子的触碰都不会改变这对粒子所处的状态——无论是0还是1。这样，他们的集体记忆实际上与宇宙的噪声隔离开来。这是隐藏信息的完美地方。

难以驾驭的电子

基塔耶夫的提议被称为“拓扑”量子计算（“topological” quantum computing），因为它依赖于编织的拓扑结构。这个术语指的是编织的广泛特征——例如，旋转的次数——这些特征不受他们路径的任何特定变形的影响。大多数研究人员现在都相信，编织是量子计算的未来。例如，微软公司有研究人员正在试图让电子直接形成非阿贝尔任意子。微软已经投入了数百万美元来制造微小的电线，这些电线在足够低的温度下，应该能在其顶部生成可编织的最简单种类的准粒子。

预期是，在这些低温下，电子会自然地聚集成任意子，然后可以编织成可靠的量子比特。然而，经过十年的努力，这些研究人员仍在努力证明他们的方法是有效的。将电子转变为非阿贝尔任意子的努力已经停滞不前。

然而，驾驭电子并不是制造非阿贝尔准粒子的唯一方式。

兼容的量子比特

量子处理器正在改变寻找任意子的方式。近年来，研究人员已经开始使用这些设备来控制单个量子比特，而不是试图让大量的电子一致行动。有些物理学家认为这些努力是模拟，因为处理器内的量子比特是粒子的抽象（虽然它们的物理性质因实验室而异，但你可以将它们视为围绕轴旋转的粒子）。但是量子比特的量子性质是真实的，所以——无论是否是模拟——这些处理器已经成为了进行拓扑实验的最佳空间。

在量子处理器上合成任意子是利用基塔耶夫的编织理论的另一种方式：接受量子比特不完美，并纠正他们的错误。劣质的量子比特寿命不长，所以由他们构建的任意子也会有短暂的寿命。梦想是快速且反复地测量量子比特群，并在错误出现时立即纠正，从而延长任意子的寿命。测量会通过塌缩其波函数并将其变成经典比特，从而擦除单个量子比特的量子信息。但重要的信息会保持不可触及——隐藏在许多任意子的集体状态中。通过这种方式，谷歌和其他公司希望通过快速测量和快速纠正（而不是低温）来加固量子位。

谷歌在2021年春天向量子错误纠正迈出了重要一步，当时研究人员将大约24个量子比特组装成最简单的能够进行量子错误纠正的网格，这是一种被称为环面编码（toric code）的物质相（phase of matter）。

在谷歌的处理器上创建环面编码相当于通过轻轻地用微波脉冲推动它们，使每个量子比特与其相邻的量子比特严格合作。在不进行测量的情况下，量子比特指向多个可能的方向的叠加态。谷歌的处理器通过使每个量子比特以特定方式与其四个相邻量子比特协调其自旋轴，有效地减少了这些选项（量子比特可能指向的各种方向）。虽然环面编码具有可用于量子错误纠正的拓扑特性，但它本身不包含非阿贝尔准粒子。为此，谷歌不得不求助于理论家们早已知道的一个奇怪技巧：量子比特网格中的某些缺陷被称为“扭曲缺陷”，它们可以获得非阿贝尔准粒子。

去年秋天，康奈尔大学的理论家金恩阿和尤里·连斯基（Yuri Lensky）以及谷歌的研究人员发布了一种在环面编码中轻松制作和编织缺陷对的方案。

在此之后发布的预印本中，谷歌的实验人员报告了实施这个方案想法，包括切断相邻量子比特之间的连接。量子比特网格中的缺陷就像最简单的非阿贝尔准粒子，微软的 Majorana 零模式。

编织量子信息：通过仔细操纵量子比特之间的连接，研究人员能够将物体与它们过去的记忆编织在一起。

第三步：

第四步：

通过调整他们切断的连接，研究人员可以控制变形。他们制作了两对非阿贝尔缺陷，并在一个五乘五量子比特的网格上滑动它们，勉强编织出了一个辫子。

通过测量作画

与此同时，哈佛大学的 Ashvin Vishwanath 领导的一群理论家正在追求更高的目标：在一种更复杂的量子物质相中创造真的非阿贝尔任意子，这些准粒子在原始的物质相中自然生成。相比之下，谷歌的“缺陷”就像一个婴儿级的非阿贝尔东西。

两种类型的任意子都在具有拓扑特性的物质相中，这种拓扑性质由错综复杂的量子纠缠定义。处于纠缠状态的粒子表现出协同的行为，当万亿粒子处于纠缠状态时，它们可以在复杂的相位中波动。在具有拓扑顺序的相位中，纠缠使粒子组织成对齐的自旋环。当一个环被切割时，每个端点就是一个任意子。

拓扑顺序有两种类型。像环面编码这样的简单相具有“阿贝尔顺序”，松散的末端是阿贝尔任意子。但是寻求真正的非阿贝尔任意子的研究人员将他们的目标设定在了一个完全不同的，更为复杂的织物上，它具有非阿贝的顺序。

2021年，Vishwanath的小组帮助创建了一个具有阿贝尔顺序的相。但是将量子比特编织成非阿贝尔纠缠模式对今天的不稳定处理器来说过于复杂。因此，这个团队仔细研究了文献，以寻找新的想法。

他们在两篇论文中找到了一个线索：

通常，我们需要谨慎地处理量子比特，这就像整理枕头，你必须小心翼翼，以免枕头的填充物从缝隙中飞出。换句话说，你需要以一种柔和的方式进行操作以保持量子态的完整性。同时，通过这些"单元"（unitary）操作，即保持系统整体性质不变的操作，来仔细编织量子比特之间的纠缠关系，这个过程需要花费时间。

然而，在2000年初，物理学家罗伯特·劳森多夫找到了一种快捷方式，那就是利用测量来移除部分的波函数。在量子力学中，测量通常会导致量子态的坍缩，消除了量子的特性。但劳森多夫发现，他可以用这个特性作为一个工具，通过有目的的测量来更快地调整量子态，进而在某种程度上加快计算过程。

劳森多夫和他的合作者详细描述了如何通过对特定的量子比特进行选择性测量，将一个非纠缠状态有意地转变为一个纠缠状态。

这种技术有一个缺点，最初它使研究人员无法制造出非阿贝尔相：测量会产生随机的结果。当理论家们瞄准一个特定的相时，测量使非阿贝尔任意子随机地散落在各处，就好像研究人员试图通过将颜料溅在画布上来画出蒙娜丽莎。

在2021年底，Vishwanath的小组找到了一个解决方案：通过多轮测量来雕刻量子比特网格的波函数。他们通过第一轮操作将一个普通的物质相转变为了一个简单的阿贝尔相。然后，他们将这个阶段的结果输入到第二轮的测量中，进一步地塑造出一个更复杂的物质相。通过玩这种拓扑结构的游戏，他们意识到他们可以在逐步前进的同时处理随机性。通过一步步攀登越来越复杂的相阶梯，最终达到非阿贝尔顺序的阶段。

去年夏天，这个小组在Quantinuum的H1离子处理器上对他们的理论进行了测试，这是少数几个可以即时进行测量的量子设备之一。就像Google的小组一样，他们制造了阿贝尔的环形编码，并编织了其非阿贝尔的缺陷。他们试图达到非阿贝尔相，但是只有20个量子比特无法达到。

他们的实验标志着对非阿贝尔物质相的第一次无可争辩的检测。实现一个非阿贝尔的拓扑顺序是人们长期以来一直想做的事情，这是一个重要的里程碑。

他们的工作最终在三对非阿贝尔任意子的编织上达到了顶峰，使得他们在空间和时间中的轨迹形成了一种被称为Borromean环的图案，这是第一次编织非阿贝尔任意子。三个Borromean环在一起时是不可分的，但如果你切开一个，其他两个就会分开。

前景

在量子处理器上创建拓扑相就像通过堆叠几十个水分子来制造世界上最小的冰块。这些实验最令人兴奋的方面是它们对量子计算的意义：研究人员终于表明，他们可以制造必要的配料。现在他们只需要找出如何真正将它们投入使用。一个问题是，任意子有大量不同的种类，每个种类都有自己的优点和缺点。例如，有些人对他们的过去有更丰富的记忆，使他们的编织更具有计算能力。

下一个里程碑将是真正的错误纠正，这是谷歌和Quantinuum都未尝试过的。他们编织的量子比特是隐藏的，但并未受到保护，这将需要测量下层的劣质量子比特并实时快速修复其错误。这样的演示将是量子计算的分水岭时刻，但这可能还需要几年的时间。

在此之前，乐观主义者希望最近的这些实验将开启一个循环，其中更先进的量子计算机能够更好地控制非阿贝尔准粒子，而这种控制反过来又能帮助物理学家开发更有能力的量子设备。

来源：quantamagazine