基于量子硬件上任意子的编织与融合实现通用门

《Nature》：Universal gates from braiding and fusing anyons on quantum hardware

　　

摘要

量子计算机需要具备全局存储和操作信息的能力，以此来抵御局部噪声的影响。拓扑有序相^1,2提供了两种实现方式：将信息编码在基态子空间中³，或者编码在任子激发态中^1,4,5。环面码¹就是第一种方法的典型代表，但它本身并不支持通用的门集。而另一种方法——拓扑量子计算——则是通过让非阿贝尔任子相互编织来实现门的操作⁶。然而，最简单的环面码的非阿贝尔泛化版本仅通过编织操作是无法实现通用性的^7,8,9。在此，我们证明了将任子融合作为一种计算基础，可以使这些最简单的非阿贝尔拓扑有序态具备通用性。我们在Quantinuum的H2处理器上构建了最小非阿贝尔群S₃的量子双系的54量子比特基态。我们将逻辑信息编码在非阿贝尔任子的全局融合空间中，通过结合编织与融合操作，实现了通用的拓扑门集及读出机制，并通过拓扑方式制备了一个魔态来验证这一点。这表明S₃拓扑有序态不仅可规模化制备，而且其结构复杂度足以支撑通用门集。从更广泛的角度来看，这项工作为利用量子物质的固有特性来操控量子信息开辟了新的途径。