Квантовые компьютеры обещают справляться с задачами, которые не под силу даже самым мощным суперкомпьютерам. Но пока что они остаются крайне хрупкими: квантовые биты — кубиты — слишком легко теряют информацию под воздействием внешней среды. Ошибки накапливаются, и вычисления быстро теряют смысл.
Один из самых перспективных способов справиться с этой проблемой — топологическая квантовая обработка. В её основе лежит идея использовать не обычные кубиты, а экзотические частицы под названием анионы, чьи свойства зависят не от конкретного состояния, а от геометрии их взаимодействий. Такой подход может сделать кубиты гораздо менее чувствительными к шуму и сбоям.
Один из лучших кандидатов на роль таких частиц — анионы Изинга . Они уже активно исследуются в лабораториях благодаря своей потенциальной реализации в системах вроде фракционного эффекта Холла или топологических сверхпроводниках. Но есть загвоздка: эти анионы умеют выполнять лишь ограниченный набор логических операций — так называемые ворота Клиффорда. Для универсального квантового компьютера этого недостаточно.
Однако команда физиков и математиков под руководством учёных из Университета Южной Калифорнии нашла неожиданное решение . Добавив к системе всего одну новую частицу, ранее отброшенную в традиционных подходах как бесполезную, они добились того, что анионы Изинга могут выполнять любые квантовые операции — исключительно за счёт «плетения» (braiding), то есть перемещения частиц друг вокруг друга.
Эту «воскресшую» частицу команда назвала neglecton — от слова «neglect» (пренебрегать). Раньше она считалась математическим мусором, но теперь оказалась ключевым элементом. Она естественным образом возникает в более широкой математической структуре, которую учёные теперь используют вместо старых упрощённых моделей.
Открытие стало возможным благодаря новому классу топологических квантовых теорий поля, в которых сохраняются компоненты с нулевым квантовым следом — как раз те, что раньше игнорировались. По словам профессора Аарона Лауды, это как найти сокровище там, где все видели только мусор.
Есть, правда, одна тонкость: новая теория нарушает один из основополагающих принципов квантовой механики — унитарность. Но исследователи нашли способ обойти эту проблему, словно выстраивая квантовый компьютер в доме с аварийными комнатами — просто держать вычисления подальше от проблемных зон. Всё, что нужно, — изолировать «нестабильные» участки теории от тех, где размещается квантовая информация.
Теперь перед экспериментаторами стоит задача найти материалы, в которых такой стационарный neglecton может реализоваться, и создать протоколы для практического применения новой схемы. Главное — теперь у них есть чёткая цель.
«Мы показали, что даже то, что раньше считалось математическим браком, может стать основой для настоящего квантового прорыва», — говорит Лауда.