2026年7月15日——一台真正实用的量子计算机必须能够运行任何算法，其灵活性堪比普通笔记本电脑。物理学家们现在展示了一种新方法，利用被称为非阿贝尔任意子的奇异量子粒子的能力，赋予量子计算机这种灵活性。

来自芝加哥大学普利兹克分子工程学院、哈佛大学、石溪大学和Quantinuum公司的科学家团队，构建并测试了一整套基于非阿贝尔任意子的操作工具包，首次证明了这一方法的广泛适用性。

“我们展示了一个所谓的通用门集合——这意味着，如果你将信息存储在这些涌现的夸克版本中，并让它们移动，你就可以执行任何你想要进行的量子计算，”芝加哥大学普利兹克分子工程学院助理教授、发表在《自然》杂志上的新研究的合著者Ruben Verresen说。

这种方法不仅有可能催生通用型量子计算机，还指明了一条通往可靠性的道路。量子计算机通常依赖于纠错技术，将数据分散到许多物理量子比特上以防止错误。但是，这些纠错码本身通常无法提供对受保护数据进行通用量子计算所需的所有操作。相反，工程师们使用通过资源密集型蒸馏过程构建的专门制备的“魔法态”，这会消耗量子计算机中很大一部分量子比特。这项新研究表明，非阿贝尔任意子可以绕过这一过程。

“非阿贝尔码是量子纠错竞赛中的一匹黑马，”Quantinuum慕尼黑办公室董事总经理兼科学负责人、该研究的合著者Henrik Dreyer表示。“在这项工作中，我们展示了非阿贝尔码中的首个通用门集合，这证明了原则上可以在不诉诸魔法态蒸馏或培养的情况下进行容错计算，而这些是标准量子纠错码中最昂贵的操作。”

编织任意子的不足

普通量子比特以二进制的开或关状态或两者之间的某种组合来存储信息。非阿贝尔任意子则不同。它们并非自然界中独立存在的粒子；研究人员通过量子电路将它们创造出来，该电路将许多普通量子比特连接成一个巨大、纠缠的状态，其行为就像一种全新的粒子，拥有自己的内部规则。

“我对这些编码的看法是，它们创造了微小的宇宙——替代的宇宙，但它们反映了我们自身宇宙的一些属性，”Verresen说。

每个非阿贝尔任意子都携带着一个内部状态，每当两个任意子彼此移动或编织时，这个状态就会改变。编织它们的顺序很重要（这就是非阿贝尔的含义），这使得它们有可能以普通粒子无法做到的方式编码量子信息。由于它们的状态分布在许多纠缠的量子比特上，而不是位于任何单一位置，因此这些任意子异常地免受干扰，而正是这些微小干扰会破坏普通量子比特。此外，它们的编织可以兼作计算门。

2024年，包括Verresen在内的一个团队使用Quantinuum离子阱计算机制造了基于一个称为D4的对称群（保持正方形不变的旋转和反射）的任意子，标志着这种非阿贝尔序在量子硬件上的首次展示。但仅凭编织这些任意子并不能实现计算机所需的所有操作。

“在那项工作中，我们没有证明那些涌现的力足以进行量子计算，”Verresen说。“我们创造的那个特定宇宙不够强大。”

融合带来改变

在新论文中，研究团队转向了一种不同的对称性，称为S3（保持等边三角形不变的旋转和镜像翻转），并在Quantinuum的H2离子阱处理器上构建了其任意子，纠缠了54个量子比特。与D4不同，S3的结构具有通用计算所需的正确属性，但前提是编织还必须与第二个工具配对：融合，即两个任意子合并在一起，并将结果作为测量值读出。这个想法最初由加州理工学院John Preskill当时的学生Carlos Mochon在2003年从理论上提出。然而，将这一抽象提议转化为量子硬件的具体协议，需要大量的后续理论和实验工作。

研究团队利用这些任意子的对来编码“拓扑qutrit”，与标准量子比特编码的两个信息级别相比，它具有三个级别的量子信息。通过以不同组合编织和融合这些qutrit，研究人员展示了三种操作——一种来自编织的纠缠门，两种来自融合的不同类型的测量——这些操作组合起来，原则上可以执行任何量子操作，包括那些仅靠编织无法实现的操作。除了潜在的应用之外，这些新的态还可以揭示物理学的基本性质。

“看到我们博士期间思考的想法在实验室中得到实现，令人感到欣慰，而过去几年量子硬件的显著进展使这一切成为可能，”哈佛大学Ashvin Vishwanath课题组的博士生Anasuya Lyons和Chiu Fan Bowen Lo说，他们帮助领导了这项工作。

我们展示了一个所谓的通用门集合——这意味着，如果你将信息存储在这些涌现的夸克版本中，并让它们移动，你就可以执行任何你想要进行的量子计算。

助理教授 Ruben Verresen

迈向纠错

研究团队还表明，可以通过拓扑操作直接使用非阿贝尔任意子来制备魔法态——从而绕过了大多数量子系统中使用的昂贵蒸馏过程。

然而，在当前这篇论文中，Verresen及其同事并未进行主动纠错。相反，他们测试了个别的计算构建块以证明其有效性，并验证了他们创建了一个与理论预测相符的魔法态。

“到目前为止，我们忽略了纠错问题。在这里，这更像是一个原理验证，”Verresen说。

他补充说，将这种方法与纠错相结合是自然而然的下一步——最终可能使非阿贝尔任意子成为大规模、容错量子计算机的实用基础。Verresen已经在与其他PME研究人员合作，开发稳定非阿贝尔量子存储器的新方法。