拓?fù)淞孔佑?jì)算是近十幾年發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新穎的交叉學(xué)科，涉及到量子計(jì)算，拓?fù)鋵W(xué)，拓?fù)淞孔訄?chǎng)論，以及含拓?fù)湫虻哪蹜B(tài)物理等。拓?fù)淞孔佑?jì)算利用多體系統(tǒng)中的拓?fù)淞孔討B(tài)來(lái)存儲(chǔ)和操控量子信息，具有內(nèi)在的容錯(cuò)能力，給量子計(jì)算的物理實(shí)現(xiàn)帶來(lái)了希望，也促進(jìn)了我們對(duì)物質(zhì)拓?fù)淞孔有袨榈奶剿鳌?/p>

外文名

Topological quantum computation

領(lǐng)域

物理技術(shù)、粒子相關(guān)

出現(xiàn)背景

量子計(jì)算機(jī)由于其超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)極限的強(qiáng)大并行運(yùn)算能力，成為二十一世紀(jì)量子物理學(xué)家們夢(mèng)寐以求的目標(biāo)。

然而，學(xué)術(shù)界公認(rèn)的長(zhǎng)期困擾其物理實(shí)現(xiàn)的最大問(wèn)題“消相干效應(yīng)”——由于量子計(jì)算機(jī)不可避免地與環(huán)境耦合而產(chǎn)生的各種噪聲從而使計(jì)算過(guò)程產(chǎn)生各種錯(cuò)誤——一直沒(méi)有得到很好的解決。國(guó)際上以往提出的眾多量子糾錯(cuò)方案中，一般采用對(duì)每一步邏輯操作都進(jìn)行量子糾錯(cuò)的方法。這樣，為了可擴(kuò)展量子計(jì)算能夠有效進(jìn)行，要求每一步邏輯操作的錯(cuò)誤發(fā)生率都不得高于10量級(jí)，而這么低的容錯(cuò)率是目前任何實(shí)驗(yàn)手段都無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

理論依據(jù)

在含拓?fù)湫虻亩S強(qiáng)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)中，可能存在一類稱為任意子的奇異粒子。與三維空間中的玻色子和費(fèi)米子不同，任意子遵循阿貝爾統(tǒng)計(jì)或非阿貝爾統(tǒng)計(jì)。非阿貝爾任意子可以用來(lái)編碼量子比特，拓?fù)涞卮鎯?chǔ)量子信息。非阿貝爾任意子在2+1維時(shí)空中的世界線形成辮子。我們可以利用這些辮子來(lái)構(gòu)造普適的拓?fù)淞孔佑?jì)算門(mén)，從而進(jìn)行任意的拓?fù)淞孔硬僮?。由于辮子拓?fù)涞碾x散性，拓?fù)淞孔佑?jì)算具有內(nèi)在的容錯(cuò)能力，局域的微擾不影響拓?fù)淞孔有畔⒌拇鎯?chǔ)與處理。然而在龐大的辮子空間中有效地構(gòu)造普適的拓?fù)淞孔佑?jì)算門(mén)并非易事。通過(guò)把雙量子比特門(mén)分解為單量子比特門(mén)，普適的拓?fù)淞孔佑?jì)算門(mén)的有效構(gòu)造成為可能。辮子拓?fù)涞碾x散性啟發(fā)我們對(duì)冗余自由度引入幾何誤差，從而得到低泄漏的雙量子比特門(mén)。進(jìn)而我們分解單量子比特門(mén)，結(jié)合引入誤差減小誤差的思想，我們得到了高精度單量子比特門(mén)。同時(shí)我們對(duì)拓?fù)淞孔佑?jì)算算法中的自由度也作了探索。我們還構(gòu)造了類重整化群的量子編譯算法，從而在理論上達(dá)到了任意精度的拓?fù)淞孔佑?jì)算。

研究現(xiàn)狀

拓?fù)淞孔佑?jì)算

近年來(lái)，學(xué)術(shù)界提出了拓?fù)淞孔蛹m錯(cuò)這一全新概念，把量子態(tài)的拓?fù)湫再|(zhì)應(yīng)用于量子糾錯(cuò)過(guò)程中，從而將量子糾錯(cuò)中可容忍的最高邏輯操作錯(cuò)誤發(fā)生率提高了三個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到10量級(jí)。拓?fù)淞孔蛹m錯(cuò)方案大大降低了對(duì)操作精度的要求，達(dá)到了現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)的水平，是目前已知擁有最高容錯(cuò)率的量子計(jì)算方案，從而使得可擴(kuò)展容錯(cuò)性量子計(jì)算在現(xiàn)實(shí)條件下成為可能。

拓?fù)淞孔佑?jì)算

在中科院、科技部和國(guó)家自然科學(xué)基金委的支持下，潘建偉研究小組經(jīng)過(guò)三年的艱苦努力，創(chuàng)造性地發(fā)展了一套全新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，將雙光子糾纏的亮度提高了4倍，從而使得制備八光子簇態(tài)的總效率至少提高了200倍，僅用八十天時(shí)間就完成了實(shí)驗(yàn)，這在以前幾乎是不可能實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)，研究人員還設(shè)計(jì)了一種特殊的、濾除噪聲的八光子干涉儀，成功制造出并觀測(cè)到了具有拓?fù)湫再|(zhì)的八光子簇態(tài)，并以此簇態(tài)為量子計(jì)算的核心資源，實(shí)現(xiàn)了拓?fù)淞孔蛹m錯(cuò)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在拓?fù)淞孔佑?jì)算的過(guò)程中可以完全糾正出現(xiàn)在任意量子比特上的單比特錯(cuò)誤，而且當(dāng)每個(gè)量子比特都以相同概率發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，受保護(hù)的量子關(guān)聯(lián)的有效錯(cuò)誤率會(huì)大大降低。這項(xiàng)工作在實(shí)驗(yàn)上邁出了可擴(kuò)展容錯(cuò)性量子計(jì)算的第一步，在量子計(jì)算領(lǐng)域具有里程碑式的意義，它將有力地推動(dòng)可擴(kuò)展量子計(jì)算的發(fā)展，為將來(lái)成功實(shí)現(xiàn)真正的量子計(jì)算打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。