拓撲量子計算是近十幾年發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新穎的交叉學(xué)科，涉及到量子計算，拓撲學(xué)，拓撲量子場(chǎng)論，以及含拓撲序的凝聚態(tài)物理等。拓撲量子計算利用多體系統中的拓撲量子態(tài)來(lái)存儲和操控量子信息，具有內在的容錯能力，給量子計算的物理實(shí)現帶來(lái)了希望，也促進(jìn)了我們對物質(zhì)拓撲量子行為的探索。

外文名

Topological quantum computation

領(lǐng)域

物理技術(shù)、粒子相關(guān)

出現背景

量子計算機由于其超越經(jīng)典計算機極限的強大并行運算能力，成為二十一世紀量子物理學(xué)家們夢(mèng)寐以求的目標。

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

理論依據

在含拓撲序的二維強關(guān)聯(lián)系統中，可能存在一類(lèi)稱(chēng)為任意子的奇異粒子。與三維空間中的玻色子和費米子不同，任意子遵循阿貝爾統計或非阿貝爾統計。非阿貝爾任意子可以用來(lái)編碼量子比特，拓撲地存儲量子信息。非阿貝爾任意子在2+1維時(shí)空中的世界線(xiàn)形成辮子。我們可以利用這些辮子來(lái)構造普適的拓撲量子計算門(mén)，從而進(jìn)行任意的拓撲量子操作。由于辮子拓撲的離散性，拓撲量子計算具有內在的容錯能力，局域的微擾不影響拓撲量子信息的存儲與處理。然而在龐大的辮子空間中有效地構造普適的拓撲量子計算門(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)，普適的拓撲量子計算門(mén)的有效構造成為可能。辮子拓撲的離散性啟發(fā)我們對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)我們對拓撲量子計算算法中的自由度也作了探索。我們還構造了類(lèi)重整化群的量子編譯算法，從而在理論上達到了任意精度的拓撲量子計算。

研究現狀

拓撲量子計算

近年來(lái)，學(xué)術(shù)界提出了拓撲量子糾錯這一全新概念，把量子態(tài)的拓撲性質(zhì)應用于量子糾錯過(guò)程中，從而將量子糾錯中可容忍的最高邏輯操作錯誤發(fā)生率提高了三個(gè)數量級，達到10量級。拓撲量子糾錯方案大大降低了對操作精度的要求，達到了現有實(shí)驗技術(shù)可以實(shí)現的水平，是目前已知擁有最高容錯率的量子計算方案，從而使得可擴展容錯性量子計算在現實(shí)條件下成為可能。

拓撲量子計算

在中科院、科技部和國家自然科學(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，這在以前幾乎是不可能實(shí)現的。同時(shí)，研究人員還設計了一種特殊的、濾除噪聲的八光子干涉儀，成功制造出并觀(guān)測到了具有拓撲性質(zhì)的八光子簇態(tài)，并以此簇態(tài)為量子計算的核心資源，實(shí)現了拓撲量子糾錯。

實(shí)驗結果顯示，在拓撲量子計算的過(guò)程中可以完全糾正出現在任意量子比特上的單比特錯誤，而且當每個(gè)量子比特都以相同概率發(fā)生錯誤時(shí)，受保護的量子關(guān)聯(lián)的有效錯誤率會(huì )大大降低。這項工作在實(shí)驗上邁出了可擴展容錯性量子計算的第一步，在量子計算領(lǐng)域具有里程碑式的意義，它將有力地推動(dòng)可擴展量子計算的發(fā)展，為將來(lái)成功實(shí)現真正的量子計算打下堅實(shí)的基礎。