Onderzoekers van de Universiteit van Zuid-Californië (USC) hebben een doorbraak gerealiseerd in de ontwikkeling van kwantumcomputers door het hergebruiken van wiskundige elementen die voorheen als waardeloos werden beschouwd. Deze 'neglectons' kunnen de beperkingen van bestaande kwantumtechnologieën, zoals die gebaseerd op Ising anyonen, overwinnen en de weg vrijmaken voor universele kwantumcomputing.
Kwantumcomputers beloven een revolutie in rekenkracht, maar kampen met de extreme kwetsbaarheid van hun bouwstenen, de qubits. Deze zijn zeer gevoelig voor omgevingsfactoren zoals trillingen en temperatuurschommelingen, wat leidt tot fouten en het instorten van berekeningen. Een veelbelovende aanpak is topologische kwantumcomputing, dat gebruikmaakt van anyonen. Ising anyonen, een veel bestudeerde variant, zijn inherent beschermd tegen ruis, maar bieden niet alle benodigde kwantumoperaties voor een universele computer. Professor Aaron Lauda van de USC vergeleek dit met een "klavier met slechts de helft van de toetsen".
De oplossing kwam voort uit de theorie van niet-semisimpel topologische kwantumveldentheorie. Dit abstracte wiskundige domein stelt dat het begrijpen van de symmetrieën van een systeem het bestaan van nieuwe deeltjes kan voorspellen. In dit formalisme bezit elk deeltje een 'kwantumdimensie'. Elementen met een dimensie van nul worden traditioneel genegeerd. Lauda's team ontwikkelde echter een methode om deze 'verwaarloosde' elementen, de neglectons, betekenis te geven. De cruciale ontdekking is dat de toevoeging van slechts één neglecton aan een systeem van Ising anyonen de capaciteiten ervan radicaal verandert.
Met de toevoeging van een neglecton kunnen anyonen, door manipulatie van hun verstrengelingen, elke kwantumoperatie uitvoeren. Dit maakt het klavier universeel en opent de weg naar volledig functionele topologische kwantumcomputers, met behoud van de voordelen van anyonen zoals weerstand tegen ruis en stabiliteit. Hoewel het creëren en manipuleren van anyonen in daadwerkelijke materialen nog een technologische uitdaging blijft, biedt deze ontdekking een nieuw perspectief: ingenieurs kunnen vertrouwde systemen benutten vanuit een nieuw wiskundig oogpunt.
Het werk van Lauda's team, gepubliceerd in Nature Communications, benadrukt hoe een schijnbaar esoterische theoretische benadering kan leiden tot transformerende praktische toepassingen. Door vergeten wiskundige elementen te rehabiliteren, hebben de onderzoekers mogelijk de sleutel gevonden om de beloften van kwantumcomputing te realiseren. Dit onderzoek biedt concrete doelen voor experimentele fysici om deze stationaire anyon te realiseren in materiaalplatforms, wat de weg vrijmaakt voor robuustere kwantumcomputers.