Nieoczekiwana rola cząstek, które pomijano przez długie lata
Dotychczas największe nadzieje wiązano z topologicznym przetwarzaniem kwantowym. W przeciwieństwie do tradycyjnych kubitów, które przechowują dane w niestabilnych stanach kwantowych, ta metoda wykorzystuje egzotyczne cząstki zwane anyonami do kodowania informacji. Anyony Isinga, badane obecnie w laboratoriach, wydawały się szczególnie obiecujące. Występują one w ułamkowych stanach kwantowego efektu Halla oraz nadprzewodnikach topologicznych. Niestety, same nie zapewniają pełni możliwości obliczeniowych. Ich działanie opiera się na splątaniu, które – choć obiecujące – pozwala na ograniczony zestaw funkcji, znanych jako bramki Clifforda. Do prawdziwie uniwersalnych obliczeń kwantowych to zdecydowanie zbyt mało.
Czytaj też: Nielokalność kwantowa bez splątania? Fizycy nie rozumieją, jak to możliwe
Przełom nastąpił, gdy zespół ze Stanów Zjednoczonych przyjrzał się matematycznym konstruktom, które dotąd pomijano. Aaron Lauda, współautor badania, obrazowo opisuje to odkrycie. Jak wyjaśnia, te odrzucone obiekty okazują się być brakującym elementem układanki. Ostatni przełom jest niczym znalezienie skarbu w czymś, co wszyscy inni uważali za matematyczne śmieci. Neglectony – bo tak nazwano te niegdyś ignorowane cząstki – pochodzą z nowej klasy teorii matematycznych, obejmujących obiekty o “kwantowym śladzie zero”. Takowe były przez długi czas uznawane za nieprzydatne, przynajmniej z punktu widzenia obliczeń kwantowych. Kluczowym wnioskiem płynącym z najnowszych eksperymentów było to, że dodanie jednego stacjonarnego neglectona wystarczy, by anyony Isinga zyskały uniwersalność. Ten pierwszy pozostaje nieruchomy, podczas gdy operacje wykonywane są poprzez splatanie anyonów Isinga wokół neglectonu.
Jak wykorzystać ten sukces w praktyce?
Struktura matematyczna wykorzystana w nowych badaniach rodzi jednak własne wyzwania. Teorie te naruszają unitarność, czyli podstawową zasadę mechaniki kwantowej gwarantującą zachowanie prawdopodobieństwa. To jak wznoszenie budowli na ruchomych piaskach. Na szczęście naukowcy opracowali sprytne obejście tego problemu. Zamiast modyfikować całą teorię, stworzyli metodę kodowania kwantowego, która izoluje niestabilne elementy od obszaru obliczeń. W praktyce oznacza to, iż przestrzeń obliczeniowa ma dodatnio określoną metrykę wewnętrzną, podczas gdy problematyczne nieregularności pozostają w “kwarantannie” poza obszarem obliczeń.
Odkrycie ma konkretne implikacje dla przyszłych systemów. Dla operacji na pojedynczych kubitach uniwersalność osiąga się dla każdej niewymiernej wartości parametru alpha anyonu, co daje szerokie spektrum potencjalnych realizacji. Szczególnie obiecujący wydaje się przypadek alpha = 2 + 2/5. Zespół opracował dla niego procedurę tworzenia dwukubitowych bramek splątających o minimalnej utracie danych. Wykorzystuje ona zmodyfikowany algorytm Reichardta, stopniowo redukujący błędy. Symulacje pokazują, że już po dwóch iteracjach norma nieunitarnych składników spada do zaledwie 2,565 × 10^-14, czyli wartości praktycznie pomijalnej.
Czytaj też: Nowy rekord precyzji. Naukowcy zmierzyli czas życia wolnych neutronów
Najbardziej zachęcający aspekt to możliwość wykorzystania istniejących technologii. Badacze potrafią już wytwarzać anyony Isinga w warunkach laboratoryjnych. Teraz potrzebują jedynie metody stabilnego umieszczenia dodatkowej cząstki. Teoria ma silne powiązania z logarytmicznymi konforemnymi teoriami pola i sugeruje możliwość realizacji w układach materii skondensowanej. Szczególnie obiecujące są nowe warunki brzegowe w ułamkowych stanach kwantowego efektu Halla przy współczynniku wypełnienia ν = 5/2. Odkrycie neglectonów otwiera nowy rozdział w informatyce kwantowej. Po latach poszukiwań stabilnych rozwiązań, odpowiedź może tkwić w cząstkach, które dotąd uznawano za nieprzydatne. Jeśli fizykom uda się znaleźć sposób na ich praktyczne wykorzystanie, być może wreszcie uda się okiełznać kapryśną naturę kubitów.