陳根：Google量子人工智慧首次編織非阿貝爾任意子

文/陳根

日前，根據《自然》雜誌最新發表的論文，Google使用他們的超導量子處理器觀察非阿貝爾任意子的奇特行為，並展示瞭如何使用這種現象來執行量子計算。緊隨其後，量子計算公司Quantinuum發布的研究成果補充了Google的初步發現。這些研究成果為拓樸量子計算開闢了一條新途徑，其中的操作是透過將非阿貝爾任意子纏繞在一起來實現的，就像編織中的繩子一樣。

所謂非阿貝爾任意子，是一種在拓樸量子計算和拓樸量子場論中引起廣泛研究的粒子模型。任意子是在二維和更高維度的拓樸系統中，存在的一種不同於玻色子和費米子的粒子。作為量子力學中的一類統計粒子，非阿貝爾任意子是一種特殊類型的任意子，其統計交換行為不僅取決於交換的順序，還取決於粒子的內部狀態。同時，非阿貝爾任意子也被認為是一種穩定的量子位元，可以用來實現拓樸量子運算的容錯性。拓樸量子運算是一種新型的量子運算模型，透過利用拓樸性質來儲存和操作量子資訊。非阿貝爾任意子作為拓樸量子位元的載體，具有一些特殊的性質，例如它們的量子態可以被糾纏編碼並保護免受環境的擾動。

「首次觀察到非阿貝爾任意子的奇異行為，確實突出了我們現在可以使用量子電腦存取的令人興奮的現象類型。」Google量子AI團隊成員Trond I. Andersen說，難以想像本不可能看到的兩個相同的物體是否來回交換，卻有可能被非阿貝爾任意子打破這個規則。量子力學支持這種觀點，但僅限於在三維世界。如果嫁接到二維平面內，量子力學將允許一些奇怪的事情發生：非阿貝爾任意子保留著一種記憶，儘管它們完全相同，但可以分辨出它們中的兩個何時被交換了。

在一系列實驗中，Google的研究人員觀察了非阿貝爾任意子的行為，以及它們如何與更普通的阿貝爾任意子相互作用；而將兩種類型的粒子相互纏繞在一起則會產生奇怪的現象：粒子神秘地消失、重新出現，並在它們相互纏繞並碰撞時從一種類型轉變為另一種類型。

研究團隊觀察到非阿貝爾任意子的標誌：當其中兩個交換時，會導致其係統的量子態發生可測量的變化，這是一種以前從未觀察到的驚人現象。同時，研究團隊也展示瞭如何在量子計算中使用非阿貝爾任意子的編織。透過將幾個非阿貝爾任意子編織在一起，他們能夠創造一種眾所周知的量子糾纏態——Greenberger-Horne-Zeilinger態。

「看看非阿貝爾任意子在未來如何用於量子計算，以及它們的奇特行為是否能成為容錯拓撲量子計算的關鍵，將是一件非常有趣的事情。」Google量子AI團隊的Trond Andersenyu說。

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