南加州大学（USC）的研究人员在量子计算领域取得突破性进展，他们通过“复活”曾被视为毫无价值的数学元素——“neglectons”，为实现通用量子计算开辟了新途径。这项研究发表在《自然·通讯》（Nature Communications）杂志上，有望将前景黯淡的拓扑量子计算技术转变为一种稳定且通用的计算革命。
量子计算机以其巨大的潜力吸引着人们的目光，有望彻底改变科学和技术领域。然而，量子比特（qubits）的极端脆弱性是其发展道路上的严峻挑战。与经典比特不同，量子比特利用量子叠加原理，能够同时处于0和1的状态，赋予量子机器惊人的计算能力。但这种优越性在很大程度上仍停留在理论层面，因为量子比特极易受到环境干扰，如振动、温度变化或杂散磁场，这些干扰都可能瞬间摧毁计算过程。因此，开发实用且可靠的量子计算机面临巨大障碍。
为了克服这一挑战，研究人员探索了拓扑量子计算（topological quantum computing），该技术基于一种称为“任意子”（anyons）的粒子。任意子存在于二维系统中，其行为取决于它们如何相互缠绕和编织，这种特性使其信息编码天然地抵抗环境干扰。其中，“伊辛任意子”（Ising anyons）是研究最多的变体，它们可以通过简单的编织来存储和操纵量子信息。然而，伊辛任意子存在一个局限性：它们无法执行所有必需的量子计算类型，就像一个“只有一半琴键的键盘”，无法完成通用量子计算机所需的所有操作。
解决方案来自一个意想不到的领域：非半单拓扑量子场论（non-semisimple topological quantum field theory）。该理论框架预测了新粒子的存在，并赋予每个粒子一个“量子维度”。南加州大学的数学教授Aaron Lauda及其团队质疑了数学界长期以来忽视量子维度为零的元素的做法。他们开发了一种新方法，将这些曾被视为“数学废物”的元素——“neglectons”——转化为宝贵的资源。该团队的关键发现是，在伊辛任意子系统中添加一个“neglecton”，能够彻底改变其能力，使其能够执行任何量子计算，从而实现通用拓扑量子计算。
这一新发现的通用性保留了任意子固有的优势，如对噪声的天然抵抗能力和稳定性。虽然在实际材料中创建和操纵任意子仍面临技术挑战，但这项研究开启了一个革命性的视角：工程师们可以利用熟悉的系统，并在新的数学视角下对其进行挖掘。正如Lauda教授所言：“这就像在别人认为是数学垃圾的地方找到了宝藏。”“neglectons”的发现完美地展示了看似晦涩的理论方法如何能够带来变革性的实际应用，可能为实现量子计算的承诺提供了关键。