Eu trabalhei em computação quântica topológica, uma das brilhantes inovações brilhantes de Alexei Kitaev, há cerca de 15 anos. É difícil encontrar um problema de física mais bonito, combinando fenômenos quânticos espetaculares (Anyons não abelínicos) com a promessa de avanços tecnológicos transformadores ({hardware} quântico de computação quântica inerentemente tolerante a falhas). Problemas que ofereceram esse tipo de combinação originalmente me inspirou a explorar a matéria quântica como estudante de graduação.
Anyons não abelínicos são partículas emergentes nascidas em certas fases exóticas da matéria. Sua utilidade para informações quânticas desce de três recursos definitivos profundamente relacionados:
- Nucleating uma coleção de anyons não abelínicos bem separados em uma plataforma host gera um conjunto de estados quânticos com a mesma energia (pelo menos com uma excelente aproximação). As medições locais fornecem essencialmente nenhuma informação sobre qual desses estados quânticos o sistema preenche – ou seja, qualquer evidência do que o sistema está fazendo está oculto do observador e, crucialmente, do meio ambiente. Por sua vez, os qubits codificados nesse espaço desfrutam de resiliência intrínseca contra perturbações ambientais locais.
- Trocar as posições de Anyons não abelínicos manipula o estado dos qubits. Os swaps podem ser promulgados movendo -se de qualquer um com o outro como em um jogo de concha ou realizando uma sequência de medições que produz o mesmo efeito. Operações de qubit requintadamente precisas seguem, dependendo apenas de quais emparelhar os swaps do usuário e em que ordem. Propriedades (1) e (2) juntas implicam que Anyons não absorventes oferecem um caminho para armazenamento tolerante a falhas e manipulação de informações quânticas.
- Um par de anyons não abelínicos reunidos pode “se fundir” em vários tipos diferentes de partículas, por exemplo, um bóson ou um férmion. Detectar o resultado de um processo de fusão fornece um método para ler os estados de qubit que estão ocultos quando todos os anyons são mutuamente bem-separados. Alternativamente, as medições não locais (por exemplo, interferometria) podem efetivamente fundir todos os Anyons bem separados, permitindo a leitura de qubit.
Entrei em campo em 2009 durante o último ano do meu pós -doutorado. A computação quântica topológica-uma vez confinada em grande parte ao domínio quântico do salão-estava então nos estágios iniciais de um renascimento impulsionado por uma explosão de novas plataformas de candidatos, bem como esquemas de medição e manipulação que prometeram oferecer controle prolongado sobre anyons não-absortos. Os anos que se seguiram foram fenomenalmente emocionantes, com entusiasmo palpável de sedimentado por perspectivas de curto prazo ainda não temperadas pelos desafios práticos que acabariam por levantar a cabeça.
Em 2018, perto do auge do meu otimismo, dei uma palestra casual do quadro -negro na qual especulei em um novo tipo de próximo NISQ Period definida pelo nascimento de um NOisy EUndividual SEmi-topological Qubit. Para arrancar menos flagrantemente o famoso acrônimo de John Preskill, eu também – jokingly, é claro – propôs a nomenclatura alternativa Pós-Q (PIECE Of S*** TOpológico QUbit) period para descrever o advento desse dispositivo. A lógica por trás daqueles rótulos de brincadeira de brincadeira é que o qubit topológico inaugural quase certamente estaria longe do best, assim como o transistor unique parece chocantemente grosseiro quando comparado aos eletrônicos modernos. Você sempre tem que começar em algum lugar. Mas o que significa realmente criar um qubit topológico e como você diz que conseguiu-especialmente obteve o desempenho provável da period pós-Q?
Que eu saiba, essas perguntas não admitem respostas amplamente aceitas, apesar das implicações para a ciência quântica e a sociedade. Eu gostaria de propor a definição de um qubit topológico elementar da seguinte maneira:
Um dispositivo que aproveita Anyons não abelínicos para codificar e manipular um único qubit de maneira topologicamente protegida.
Algumas das palavras acima justificam a elaboração. Conforme aludido acima, Anyons não abelínicos pode codificar passivamente informações quânticas-uma capacidade que por si só fornece uma memória quântica. Essa é a parte “Encode”. O critério “manipulado” implica também a exploração de outro aspecto do que torna Anyons não abelínicos especiais-seu comportamento sob swaps-para aprovar operações do portão. Tanto a codificação quanto a manipulação devem se beneficiar da tolerância intrínseca de falhas, daí o qualificador de “moda topologicamente protegida”. E muito importante, esses recursos devem ser “comprovadamente” verificados. Por exemplo, a criação de um dispositivo que hospeda o número necessário de Anyons necessário para definir um qubit não garante a propriedade muito importante da proteção topológica. Os obstáculos ainda podem surgir, entre eles: se os anyons não forem suficientemente bem-separados, os estados de qubit não terão a cobiçada imunidade de perturbações ambientais; Os efeitos térmicos e/ou não de equilíbrio ainda podem induzir erros significativos (por exemplo, excitando o sistema em outros estados indesejados); e medições – para leitura e possivelmente também a manipulação – podem não ter a fidelidade necessária para explorar frutamente a proteção topológica, mesmo se presente no qubit, declara.
A discussão anterior levanta uma questão de acompanhamento pure: como você verifica a proteção topológica na prática? Um caminho a seguir envolve a sondagem da vida útil do qubit e as fidelidades dos portões resultantes de swaps de qualquer pessoa, ao variar algum botão de controle world, como o campo magnético ou a tensão da porta. À medida que o sistema se aprofunda para a fase da matéria que hospeda anyons não-abelínicos, as fidelidades da vida e do portão devem melhorar dramaticamente-refletindo o início da proteção topológica de boa-fé. Os dispositivos “semi-topológicos” de primeira geração provavelmente se sairão modestamente, na melhor das hipóteses, embora se possa pelo menos esperar recuperar tendências gerais de acordo com essa expectativa.
Pela definição proposta acima, que eu afirmo ser rigorosa, mas razoável, a realização de um qubit topológico continua sendo um esforço contínuo. Felizmente, a jornada para esse fim oferece muitos marcos significativos de ciência e engenharia que vale a pena comemorar por si só. Exemplos incluem:
Verificação da plataforma. Esse marco mais indireto evidencia a formação de uma fase não abeliana da matéria por meio de medições de condutância (térmica ou de carga), detecção de alguma transição de fase quântica prevista, and many others.
Detecção de Anyons não abelínicos. Esta etapa pode envolver condutância, capacidade de calor, magnetização ou outros tipos de medições projetadas para apoiar o surgimento de Anyons individuais ou de uma coleção de anyons. Notavelmente, essas técnicas não precisam revelar o estado quântico preciso codificado pelos Anyons – que apresenta um desafio mais sutil.
Estabelecendo recursos de leitura. Aqui, demonstraria técnicas experimentais, interferometria, por exemplo, que, em princípio, pode abordar esse principal desafio da leitura do estado quântico, mesmo que ainda não seja aplicado diretamente a um sistema que hospeda Anyons não-abelínicos.
Protocolos de fusão. Os recursos de leitura abrem a porta para testes mais diretos do comportamento da Hallmark previsto para um qubit topológico putativo. Um experimento fascinante envolve protocolos que testam diretamente as propriedades de fusão de Anyon não abelínicas. A implementação bem -sucedida solidificaria os recursos de leitura aplicados a um dispositivo qubit topológico candidato actual.
Sondando a vida útil do qubit. Protocolos de fusão ainda pavimentam o caminho para medir os tempos de coerência do qubit, por exemplo, e 
Portões tolerantes a falhas dos swaps de Anyon. Provavelmente, o marco mais avançado, implementando com sucesso os swaps de Anyon, novamente com tendências apropriadas na fidelidade do portão, estabeleceria o componente last de um qubit topológico elementar.
A maioria das experiências até o momento se concentra nos dois primeiros itens acima, verificação da plataforma e detecção de Anyon. Recente da Microsoft Papel Naturejuntamente com o anúncio simultâneo de suplementar novos resultadosMix esforços nessas áreas com experimentos com o objetivo de estabelecer os recursos de leitura interferométricos necessários para um qubit topológico. Fusion, (inatividade) Quitter Lifetime Medcerações e Swaps de Anyon ainda não foram demonstradas em qualquer plataforma de computação quântica topológica candidata, mas pelo menos aparecer parcialmente no Microsoft’s Roteiro futuro. Será fascinante ver como esse esforço evolui, especialmente considerando as escalas de tempo agressivas previstas pela Microsoft para {hardware} quântico topológico útil. Até agora, as reações públicas variam do otimismo cauteloso ao ceticismo ardente; Esperamos que os dados resolvam a situação de uma maneira ou de outra em um futuro próximo. Minha própria opinião é que, embora o progresso da Microsoft em direção à leitura do qubit seja um avanço bem -vindo que tenha valor, independentemente da natureza do sistema ao qual essas técnicas são aplicadas atualmente, as evidências convincentes de proteção topológica ainda podem estar longe.
Enquanto isso, mantenho a convicção constante de que os qubits topológicos certamente valem a pena perseguir – em uma ampla gama de plataformas. Os estados do Corridor Quantum não abeliano parecem candidatos ressurgentes e não devem ser descontados. Além disso, o advento de materiais 2D ultra-pura e altamente ajustável fornece novas configurações nas quais se pode visualizar dispositivos de Anyon não-abelínicos de engenharia com vantagens complementares (e desvantagens) em comparação com as configurações anteriormente exploradas. Outros candidatos menos óbvios também podem aumentar em algum momento. A perspectiva de descobrir novos fenômenos emergentes mitigando a necessidade de correção de erros quânticos justifica o esforço contínuo com a mente aberta.
