Квантові обчислення обіцяють революціонізувати наш світ, але стикаються з серйозною перешкодою: надзвичайною крихкістю кубітів, що робить ці суперкомп'ютери практично непридатними. Дослідники з Університету Південної Каліфорнії (USC) нещодавно виявили неочікуване рішення, реабілітувавши математичні елементи, які раніше вважалися невагомими. Ці «неглектони», як їх назвали, можуть перетворити технологію квантових обчислень, що зазнає невдачі, на стабільну та універсальну революцію.
Квантові комп'ютери вражають своєю колосальною теоретичною потужністю. Якщо класичний біт може бути лише 0 або 1, то кубіт завдяки явищу квантової суперпозиції може існувати одночасно в обох станах. Ця надзвичайна властивість надає квантовим машинам обчислювальних можливостей, що перевершують уяву. Однак ця перевага залишається переважно теоретичною. Кубіти страждають від драматичної вразливості: найменший контакт із навколишнім середовищем достатній, щоб зруйнувати їхній делікатний квантовий стан. Вібрації, перепади температури, блукаючі магнітні поля – будь-що може миттєво зруйнувати навіть найскладніші обчислення. Ця крихкість є головним бар'єром для розробки практичних і надійних квантових комп'ютерів.
Зіткнувшись із цим глухим кутом, дослідники роками вивчали радикально інший підхід: топологічні квантові обчислення, засновані на таємничих сутностях, відомих як аніони. Аніони – це клас частинок із дивовижними властивостями, але вони існують лише у двовимірних системах. На відміну від звичайних частинок, їхня поведінка повністю залежить від того, як вони переплітаються та «заплітаються» одна навколо одної. Ця особливість виникає через унікальні геометричні обмеження двовимірного світу. У тривимірному просторі два шнурки завжди можна розплутати, пропустивши один над або під іншим. Але в пласкому всесвіті поняття «над» і «під» зникають. Результат: коли аніони рухаються та переплітаються, їхні траєкторії створюють нерозв'язні вузли, які природним чином захищено кодують інформацію.
Ізингові аніони є найдослідженішим варіантом цих екзотичних частинок. Їхня головна перевага полягає у здатності зберігати та маніпулювати квантовою інформацією через просте «заплітання», створюючи систему, яка за своєю суттю стійка до впливу навколишнього середовища. На жаль, ці частинки мають обмежувальний недолік: вони не дозволяють виконувати всі необхідні типи квантових обчислень. Аарон Лауда, професор Університету Південної Каліфорнії, влучно підсумовує проблему: «Це як клавіатура лише з половиною клавіш». Ізингові аніони можуть виконувати певні квантові операції, але не всі, необхідні для універсального квантового комп'ютера.
Рішення прийшло з несподіваного джерела: теорії несемісиметричних топологічних квантових теорій поля. Ця абстрактна математична галузь вивчає симетрії у складних математичних об'єктах. Вона містить фундаментальний принцип: розуміючи симетрії системи, можна передбачити існування нових, невідомих частинок. У цьому теоретичному формалізмі кожна частинка має «квантову розмірність» – числове значення, що відображає її вагу або вплив у системі. Традиційно математики систематично відкидають елементи з нульовою розмірністю, вважаючи їх позбавленими фізичного інтересу. Команда Лауди наважилася поставити під сумнів це давнє правило. Замість того, щоб усувати ці «невагомі» елементи, вони розробили новий метод надання їм значної ваги, перетворюючи математичні відходи на цінні ресурси. Ця смілива переінтерпретація породила «неглектони» – математичні частинки, отримані з цих колись знехтуваних елементів.
Ключовим відкриттям команди є те, що додавання одного неглектона до системи ізингових аніонів радикально змінює її можливості. З цим, здавалося б, скромним доповненням, аніони стають здатними виконувати будь-які квантові обчислення шляхом простої маніпуляції їхніми заплутаностями. Неповна клавіатура раптом стає універсальною, відкриваючи шлях до повноцінних топологічних квантових обчислень. Ця новознайдена універсальність зберігає притаманні аніонам переваги: їхню природну стійкість до шуму та стабільність проти зовнішніх збурень. Неглектони не компрометують ці важливі якості; вони розширюють їх до необмеженої сфери застосувань.
Це відкриття не гарантує негайну появу топологічних квантових комп'ютерів на наших робочих столах. Створення та маніпулювання аніонами в реальних матеріалах залишається значною технологічною проблемою. Однак воно відкриває революційну перспективу: замість пошуку екзотичних матеріалів або безпрецедентних частинок, інженери можуть використовувати знайомі системи під новим математичним кутом зору. Неглектони чудово ілюструють, як здавалося б езотеричний теоретичний підхід може призвести до трансформаційних практичних застосувань. Реабілітувавши забуті математичні елементи, дослідники, можливо, знайшли ключ до остаточного втілення обіцянок квантових обчислень. Дослідження, опубліковане в Nature Communications, показує, що додавання одного такого неглектона до системи ізингових аніонів дозволяє досягти універсальних квантових обчислень лише шляхом їхнього «заплітання». Це відкриття, зроблене командою під керівництвом дослідників з Університету Південної Каліфорнії, зокрема професора Аарона Лауди, перетворює математичні об'єкти, які раніше вважалися марними, на життєво важливий ресурс для квантових обчислень.