潮新聞客戶端 通訊員 周煒 記者 何冬健
超導量子芯片上實作了斐波那契任意子的模擬和編織概念圖 團隊提供
「結繩記事」這一上古時期的資訊儲存方式，在今天將有望用在通用量子電腦上——近日，浙江大學物理學院宋超、王浩華研究組與清華大學鄧東靈研究組合作，首次在超導量子芯片上實作了斐波那契任意子的模擬，並成功對其進行了編織操作。
現代物理學家嘗試透過編織實作抗幹擾的拓撲量子計算，仿佛一場古今智慧的不期而遇。
團隊介紹，這一實驗的成功，意味著人們向構建通用、容錯的量子電腦又邁出了堅實一步。
一
不同於采用「1」或「0」的二進制數據模式，量子電腦「秒殺」傳統電腦的奧秘在於量子位元的兩個獨特效應：量子疊加和量子纏結。
量子疊加能夠讓一個量子位元同時具備0和1的兩種狀態，量子纏結能讓一個量子位元與空間上獨立的其他量子位元共享自身狀態，從而實作量子平行計算。打個比方，如果把量子位元的可能狀態看作是地球球面上的一點，北極是二進制中的1，南極是0，兩極之間的所有點就是0和1的所有可能疊加。量子位元能在整個球面上自由漫遊,使量子電腦獲得了它們獨特的能力。
遺憾的是，這種疊加態極其脆弱，與環境(包括構成電腦本身的一些材料)之間非常微小的雜散作用也可能破壞這種狀態，就像開一輛動力十足但時不時會熄火的汽車。如果量子位元不能與環境有效隔離，這些擾動就會給計算帶來差錯。
團隊成員、浙江大學物理學院博士生徐世波在偵錯器材 團隊供圖
結繩記事，為現代物理學和量子計算提供了一個令人驚訝的模型。
科學家們將量子狀態和物理系統的拓撲性質巧妙地聯系起來——拓撲量子位元。它如同在編成「辮子」的繩子上進行計算。不過所用的繩子不是一般意義上的普通繩子，而是物理學家所鐘情的世界線。世界線代表著粒子在時空中的運動。這些繩的長度代表了時間，而它們的粗細代表著粒子的物理維度。就連粒子也不是人們第一時間會想到的電子和質子，而是一類在二維平面中「跳舞」的粒子——非阿貝爾任意子。
如同「結繩記事」，量子資訊將在非阿貝爾任意子的編織過程中被記錄下來，且具有很好的抗噪能力。在拓撲這個特殊的「保護傘」下，來自環境的微小擾動難以影響量子計算的狀態，我們可以放心地把資訊交給它們。
2004年諾貝爾物理學獎得主、麻省理工學院物理學教授法蘭·維爾切克指出，跟隨著古印加文明（註：即「結繩記事」）賦予的靈感指引，我們有可能制造出一台拓撲量子電腦，它可以挑戰對其他電腦來說甚是棘手的計算。
二
在本項研究中，合作團隊嘗試模擬的是斐波那契任意子。
所謂模擬，是指在超導量子芯片上創造一個量子波函數，來實作目標粒子的特征。可以把它想象成一個粒子在「角色扮演」，波函數描繪的是角色的發型、服飾、長相等「量子特征」。而斐波那契任意子與我們在高中數學中學習過費氏數列息息相關，它的量子維度為黃金分割數1.618，擁有更加復雜的統計性質，其實驗實作更為困難。
團隊成員、浙江大學物理學院博士生王可在實驗中 團隊供圖
浙江大學物理學院博士生徐世波介紹，模擬的依據是著名物理學家文小剛提出的「弦網凝聚」理論。該理論認為：空間本身並不是空的，而是由量子位元組成的「量子位元海」，基本粒子是量子位元海中的氣泡和渦旋，而斐波那契任意子存在於由許多根弦組成的弦網液體中，它們通常出現在一根弦的兩端。
這意味著工作的挑戰在於：模擬並不是直接構造出粒子，而是首先要模擬衍生出斐波那契任意子的「弦」。「弦網液體」的基本單元是一個六邊形的蜂窩狀結構，而用於模擬的量子位元芯片是四方形的點陣結構。為此，清華大學鄧東靈研究組提出實驗方案，透過巧妙的傾斜設計，讓多個量子位元的活動整體呈現出六邊形網格特征，並用一個量子位元來對應「蜂窩」邊上的一條「弦」。透過操控量子位元的狀態，可以將「弦」連成特殊的「網」。
=研究人員成功模擬了兩對斐波那契任意子。研究發現，長程纏結作為量子拓撲態的基本性質，就像上古時期的「繩結」一樣，為資訊提供了一個抗幹擾的儲存空間。
三
打造一台通用的量子電腦，僅僅抗幹擾是不夠的，還要有足夠種類的邏輯門來執行操作。
「經典電腦之所以是通用型的，是因為所有的計算可以透過邏輯門的組合來完成。」徐世波介紹，如同經典電腦，量子電腦也需要一些特定種類的邏輯門來組合形成所有的量子操作。
團隊正是在浙江大學杭州國際科創中心李賀康博士制備的超導量子芯片上開啟、關閉甚至挪動量子世界的「弦」，這些操作可以實作斐波那契任意子的編織，從而實作量子電腦中的邏輯門。有了不同的邏輯門操作，我們就能像編辮子一樣，在量子世界實作不同的操作組合。當「辮子」的數量和長度增長，「辮子」可儲存的資訊也會指數式增加，即使受到外界擾動，資訊也不會遺失或改變——因為受到了拓撲保護。
浙江大學杭州國際科創中心李賀康博士在研究超導量子芯片 團隊供圖
空間量子科學實驗衛星「墨子號」、第三代自主超導量子電腦「悟空」……當前，中國量子計算技術持續突破。暢想未來，通用的量子電腦將更好發展新質生產力，實作對傳統計算和各個行業領域套用的突破，從而提高生產效率、創造價值和推動經濟發展。
斐波那契任意子的成功模擬，向通用容錯量子計算邁出了堅實一步，為探索奇異的非阿貝爾拓撲態提供了新方法。宋超也特別說明，這僅僅是對斐波那契任意子的模擬，它們還未受到拓撲保護。「為實作容錯，還需要開發主動糾錯等技術，仍然還有許多工作等待我們去完成。」
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