量子计算忙碌的一周：通用任意子、能源部路线图与从虚无中诞生的物质

这项成果发表在《自然》杂志上，署名单位包括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。这是量子计算领域连续四天密集发布消息中的最新一例。同一周还出现了一份美国能源部路线图，以及一项关于粒子从被拉伸的能量弦中形成的模拟。

非阿贝尔任意子并非自然界中现成存在的粒子。研究人员在量子线路内部纠缠大量普通量子比特，直到集体状态表现出一种具有自身规则的新粒子特性，任意子由此产生。

每个任意子都带有内部状态。当一个任意子绕另一个移动时，状态会发生变化，这一过程称为编织，且移动的先后顺序至关重要。正是这一特性，使得信息能够以普通粒子无法实现的方式被编码和操控。早期工作的局限在于，仅靠编织是不够的。2024年，一个包含芝加哥大学普利兹克分子工程学院Ruben Verresen在内的团队，在Quantinuum机器上构建了与D4对称群相关的任意子，但该系统无法执行通用量子计算机所需的所有操作。

“在那项工作中，我们没有证明这些涌现力足以进行量子计算，”Verresen在ScienceDaily的报道中表示，“我们创造的那个特定宇宙不够强大。”

新实验采用了一种不同的对称性S3。它描述了保持等边三角形不变的旋转和镜像翻转。研究人员在Quantinuum的H2离子阱处理器上，利用54个纠缠量子比特创建了与之匹配的任意子。S3系统具备D4版本所缺乏的性质，团队将编织与融合相结合，实现了完整的通用门集。

“我们演示了一套所谓的通用门集，这意味着，如果你将信息存储在这些涌现版本的夸克中，并移动它们，就能执行任何你想要的量子计算，”Verresen说。

这一成果在物理学之外的意义在于成本。量子计算机容易出错，因此信息被分散到许多物理量子比特上进行保护。这些纠错方案能保存数据，但通常无法提供通用计算所需的所有操作。工程师使用专门制备的“魔法态”来填补这一缺口，而制备魔法态需要密集的蒸馏过程，可能消耗机器可用量子比特的很大一部分。

“非阿贝尔码是量子纠错竞赛中的一匹黑马，”Quantinuum慕尼黑办公室的董事总经理兼科学负责人、该研究的合著者Henrik Dreyer说，“在这项工作中，我们展示了非阿贝尔码中的第一套通用门集，这表明容错计算原则上可以不依赖魔法态蒸馏或培育，而这两者是标准量子纠错码中最昂贵的操作。”

这一说法距离一台可运行的机器还很远。这篇论文是原理验证，而非产品。即便如此，它出现的这一周，整个领域的动态异常密集。

一份路线图、一项模拟和一台制冷机

9月27日，费米实验室发布了美国能源部SCAC量子委员会报告《通往集成量子未来的道路》。报告提出三阶段计划，目标是在2028年前演示一台具有科学意义的、经过纠错的量子计算机。第一阶段从2026年到2028年，内容为竞争性的“量子大挑战”，将国家实验室、大学和产业界配对。第二阶段将建立能源部量子计算用户设施，报告将其描述为开放的科学仪器，而非商业云服务。第三阶段从2030年起，设想将量子协处理器、模拟器和传感器融入能源部的人工智能和高性能计算网络。

报告由一个小委员会牵头，主席是费米实验室首席技术官Anna Grassellino，副主席是芝加哥大学普利兹克分子工程学院的Supratik Guha。费米实验室表示，来自国家实验室、学术界、产业界和联邦机构的数百名贡献者参与了意见征集。报告还强调技术中立立场，不选定哪一种量子比特会胜出。

两天前，即9月26日，ScienceDaily报道了杜克大学牵头的一项实验，该论文于9月23日发表在《自然·物理》上。研究人员将一个断弦模型编码进由13个离子组成的离子链，利用激光束调节离子间的相互作用，随后观察非平衡系统的演化。

模拟的过程如下：两个相连的物质基本单元被拉开，能量不断积累，当连接断裂时，新的粒子对出现。人们认为，宇宙大爆炸后不久的极端条件下起作用的正是这一机制。

“量子计算机模拟为研究物质形成等复杂问题提供了最佳平台，除非你亲眼见证过大爆炸本身，”在杜克大学领导这项研究的Christopher Monroe说。团队将量子结果与经典计算进行了比对，两者一致。研究人员指出，经典机器目前仍能处理这一规模的模拟，只有当问题规模增大时，量子硬件才会变得必要。

IBM则在处理基础设施问题。8月19日的公告仍是这份档案中该公司最新的一次披露。公告称，它将两个低温模块连接并冷却至同一环境，这是迈向连接数百个量子芯片的一步。模块高超过8英尺、宽8英尺，在不到五天内冷却到4 Kelvin，随后降至15毫开尔文以下。IBM表示，每个模块的真空外壳提供的布线空间，是其最广泛使用的量子系统的12倍。公司路线图目标是在2027年前实现至少1000个可编程量子比特，并在2029年推出容错机器IBM Quantum Starling。

行业博客SemiEngineering援引MarketsandMarkets的数据称，配套电子设备市场2025年至2030年的复合年增长率为41.8%，并认为低温下的精确器件模型正成为扩展的瓶颈。这是一篇赞助文章，而非经过同行评审的研究，阅读时应予以注意。

将四项进展放在一起看，图景并不均衡。任意子成果和杜克大学的模拟都是实验室演示，附带明确的保留条件。能源部路线图是计划，而非机器。IBM的低温模块是制造上的里程碑，而类似的时间表此前已有其他公司推迟过。这一周真正表明的是，该领域正在多条战线上同时推进，从奇异粒子的数学到制冷机内部的布线。