潮新闻客户端 通讯员 周炜 记者 何冬健
超导量子芯片上实现了斐波那契任意子的模拟和编织概念图 团队提供
「结绳记事」这一上古时期的信息存储方式，在今天将有望用在通用量子计算机上——近日，浙江大学物理学院宋超、王浩华研究组与清华大学邓东灵研究组合作，首次在超导量子芯片上实现了斐波那契任意子的模拟，并成功对其进行了编织操作。
现代物理学家尝试通过编织实现抗干扰的拓扑量子计算，仿佛一场古今智慧的不期而遇。
团队介绍，这一实验的成功，意味着人们向构建通用、容错的量子计算机又迈出了坚实一步。
一
不同于采用「1」或「0」的二进制数据模式，量子计算机「秒杀」传统计算机的奥秘在于量子比特的两个独特效应：量子叠加和量子纠缠。
量子叠加能够让一个量子比特同时具备0和1的两种状态，量子纠缠能让一个量子比特与空间上独立的其他量子比特共享自身状态，从而实现量子并行计算。打个比方，如果把量子比特的可能状态看作是地球球面上的一点，北极是二进制中的1，南极是0，两极之间的所有点就是0和1的所有可能叠加。量子比特能在整个球面上自由漫游,使量子计算机获得了它们独特的能力。
遗憾的是，这种叠加态极其脆弱，与环境(包括构成计算机本身的一些材料)之间非常微小的杂散作用也可能破坏这种状态，就像开一辆动力十足但时不时会熄火的汽车。如果量子比特不能与环境有效隔离，这些扰动就会给计算带来差错。
团队成员、浙江大学物理学院博士生徐世波在调试设备 团队供图
结绳记事，为现代物理学和量子计算提供了一个令人惊讶的模型。
科学家们将量子状态和物理系统的拓扑性质巧妙地联系起来——拓扑量子比特。它如同在编成「辫子」的绳子上进行计算。不过所用的绳子不是一般意义上的普通绳子，而是物理学家所钟情的世界线。世界线代表着粒子在时空中的运动。这些绳的长度代表了时间，而它们的粗细代表着粒子的物理维度。就连粒子也不是人们第一时间会想到的电子和质子，而是一类在二维平面中「跳舞」的粒子——非阿贝尔任意子。
如同「结绳记事」，量子信息将在非阿贝尔任意子的编织过程中被记录下来，且具有很好的抗噪能力。在拓扑这个特殊的「保护伞」下，来自环境的微小扰动难以影响量子计算的状态，我们可以放心地把信息交给它们。
2004年诺贝尔物理学奖得主、麻省理工学院物理学教授弗兰克·维尔切克指出，跟随着古印加文明（注：即「结绳记事」）赋予的灵感指引，我们有可能制造出一台拓扑量子计算机，它可以挑战对其他计算机来说甚是棘手的计算。
二
在本项研究中，合作团队尝试模拟的是斐波那契任意子。
所谓模拟，是指在超导量子芯片上创造一个量子波函数，来实现目标粒子的特征。可以把它想象成一个粒子在「角色扮演」，波函数描绘的是角色的发型、服饰、长相等「量子特征」。而斐波那契任意子与我们在高中数学中学习过斐波那契数列息息相关，它的量子维度为黄金分割数1.618，拥有更加复杂的统计性质，其实验实现更为困难。
团队成员、浙江大学物理学院博士生王可在实验中 团队供图
浙江大学物理学院博士生徐世波介绍，模拟的依据是著名物理学家文小刚提出的「弦网凝聚」理论。该理论认为：空间本身并不是空的，而是由量子比特组成的「量子比特海」，基本粒子是量子比特海中的气泡和涡旋，而斐波那契任意子存在于由许多根弦组成的弦网液体中，它们通常出现在一根弦的两端。
这意味着工作的挑战在于：模拟并不是直接构造出粒子，而是首先要模拟衍生出斐波那契任意子的「弦」。「弦网液体」的基本单元是一个六边形的蜂窝状结构，而用于模拟的量子比特芯片是四方形的点阵结构。为此，清华大学邓东灵研究组提出实验方案，通过巧妙的倾斜设计，让多个量子比特的活动整体呈现出六边形网格特征，并用一个量子比特来对应「蜂窝」边上的一条「弦」。通过操控量子比特的状态，可以将「弦」连成特殊的「网」。
=研究人员成功模拟了两对斐波那契任意子。研究发现，长程纠缠作为量子拓扑态的基本性质，就像上古时期的「绳结」一样，为信息提供了一个抗干扰的存储空间。
三
打造一台通用的量子计算机，仅仅抗干扰是不够的，还要有足够种类的逻辑门来执行操作。
「经典计算机之所以是通用型的，是因为所有的计算可以通过逻辑门的组合来完成。」徐世波介绍，如同经典计算机，量子计算机也需要一些特定种类的逻辑门来组合形成所有的量子操作。
团队正是在浙江大学杭州国际科创中心李贺康博士制备的超导量子芯片上打开、关闭甚至挪动量子世界的「弦」，这些操作可以实现斐波那契任意子的编织，从而实现量子计算机中的逻辑门。有了不同的逻辑门操作，我们就能像编辫子一样，在量子世界实现不同的操作组合。当「辫子」的数量和长度增长，「辫子」可存储的信息也会指数式增加，即使受到外界扰动，信息也不会丢失或改变——因为受到了拓扑保护。
浙江大学杭州国际科创中心李贺康博士在研究超导量子芯片 团队供图
空间量子科学实验卫星「墨子号」、第三代自主超导量子计算机「悟空」……当前，我国量子计算技术持续突破。畅想未来，通用的量子计算机将更好发展新质生产力，实现对传统计算和各个行业领域应用的突破，从而提高生产效率、创造价值和推动经济发展。
斐波那契任意子的成功模拟，向通用容错量子计算迈出了坚实一步，为探索奇异的非阿贝尔拓扑态提供了新方法。宋超也特别说明，这仅仅是对斐波那契任意子的模拟，它们还未受到拓扑保护。「为实现容错，还需要开发主动纠错等技术，仍然还有许多工作等待我们去完成。」
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