Знакомьтесь, Неглектон: частица-«изгой» может стать ключом к квантовому будущему

Квантовые компьютеры уже давно перестали быть атрибутом научной фантастики. Это реальные, работающие машины, обещающие совершить революцию в медицине, материаловедении и криптографии. Но у этого блестящего будущего есть одна огромная, почти непреодолимая проблема: хрупкость. Современные квантовые биты, или кубиты, — это невероятно капризные сущности. Любой случайный «шум», будь то блуждающее электромагнитное поле или незначительное колебание температуры, может внести ошибку в вычисления, которая, разрастаясь как снежный ком, сводит на нет всю работу.

Представьте, что вы пытаетесь построить сложнейший замок из песка, стоя по колено в бушующем прибое. Примерно с такой задачей сталкиваются инженеры. И пока одни пытаются «успокоить волны», создавая идеальную изоляцию, другие ищут более элегантный путь: а что, если строить замок из такого «песка», которому волны не страшны? Этот путь называется топологическими квантовыми вычислениями.

Защита через геометрию: танец экзотических частиц

Идея топологической защиты гениальна в своей простоте. Вместо того чтобы кодировать информацию в хрупком состоянии одной частицы (например, её спине), её «вплетают» в саму геометрию системы из множества частиц.

Позвольте объяснить на простом примере. Возьмите верёвку и завяжите на ней узел. Теперь вы можете трясти верёвку, сгибать её, но сам узел — его топологическое свойство — останется неизменным, пока вы целенаправленно его не развяжете. Точно так же топологический кубит хранит информацию в глобальном свойстве системы, которое не так-то просто разрушить случайным внешним воздействием.

Частицами, способными на такие чудеса, считаются энионы — экзотические квазичастицы, существующие только в двумерном пространстве. Среди них есть свои «фавориты» — изинговские энионы. Учёные уже близки к тому, чтобы создавать и контролировать их в лабораториях. Казалось бы, вот он, прорыв! Но, как это часто бывает в науке, дьявол оказался в деталях.

Красивый, но неполный танец

Вычисления на топологическом компьютере — это не совсем то, что мы привыкли себе представлять. Это скорее похоже на замысловатый танец или плетение косы. Перемещая энионы друг вокруг друга по определённым траекториям (этот процесс и называют «плетением»), можно выполнять логические операции.

И вот тут изинговские энионы дали сбой. Их «танцевальный репертуар» оказался слишком скудным. Они могут выполнять лишь ограниченный набор движений, известных как вентили Клиффорда. Этого достаточно для некоторых задач, но совершенно не хватает для создания универсального квантового компьютера — машины, способной выполнить любую мыслимую программу. Представьте пианиста, который виртуозно играет несколько красивых аккордов, но не может взять отдельные ноты. Музыка получается красивой, но ограниченной.

Многие годы это ограничение выглядело как тупик. Но, как показало недавнее исследование группы учёных из Университета Южной Калифорнии, решение всё это время лежало на виду. Точнее, в мусорной корзине.

Сокровище из математической урны

Физики и математики, работающие с квантовыми теориями, — люди прагматичные. В своих сложных моделях они часто отбрасывают элементы, которые кажутся математически «бесполезными» или излишне усложняют расчёты. Так, в стандартных теориях, описывающих энионы, было принято игнорировать объекты с так называемым «нулевым квантовым следом». Их просто выбрасывали, как математический мусор.

Аарон Лауда и его команда решили заглянуть в эту «урну». И обнаружили там сокровище. Оказалось, что один из этих отброшенных объектов — это именно тот недостающий элемент, который превращает ограниченный танец изинговских энионов в полноценную универсальную симфонию.

Эту спасённую частицу исследователи остроумно назвали «неглектоном» (от англ. neglect — пренебрегать). И знаете, что самое поразительное? Этому неглектону даже не нужно участвовать в общем танце. Его роль — быть неподвижным центром, своего рода «шестом», вокруг которого изинговские энионы могут плести свои узоры, выполняя теперь уже полный набор вычислительных операций. Всего одна статичная частица, которой раньше пренебрегали, открывает путь к универсальным вычислениям.

Дом с нестабильными комнатами: инженерная смекалка

Конечно, просто вернуть «мусор» обратно в теорию было нельзя. Математика, описывающая неглектоны, привнесла с собой серьёзную проблему. Она нарушала унитарность — фундаментальный принцип квантовой механики, который, грубо говоря, следит за тем, чтобы сумма всех вероятностей всегда была равна 100%. Без него теория становится непредсказуемой и «странной». Для большинства физиков это был бы красный флаг, сигнал остановиться.

Но команда Лауды нашла гениальный обходной путь. Они предложили метафору: представьте, что вы строите вычислительный центр в здании, где несколько комнат конструктивно нестабильны. Что вы сделаете? Будете сносить всё здание? Нет. Вы просто изолируете опасные комнаты и убедитесь, что вся важная работа происходит в надёжных помещениях.

Точно так же поступили и исследователи. Они разработали схему кодирования, при которой вся полезная квантовая информация «живёт» и обрабатывается в тех частях теории, которые ведут себя хорошо и подчиняются законам. А все математические «странности», связанные с неглектоном, оказываются как бы «в карантине», не влияя на результат вычислений.

От абстракции к реальности

Это исследование — прекрасный пример того, как чисто абстрактная математическая идея может дать толчок к решению вполне конкретной инженерной задачи. Оно меняет правила игры. Вместо того чтобы искать совершенно новые, ещё более экзотические частицы, экспериментаторы теперь получили чёткую цель: найти или создать материал, в котором можно было бы реализовать систему из уже знакомых изинговских энионов и одного-единственного стационарного неглектона.

Это гораздо более достижимая задача. Путь к созданию по-настоящему мощного и устойчивого к ошибкам квантового компьютера стал немного короче и яснее. И всё благодаря тому, что кто-то однажды решил проверить, не скрывается ли сокровище там, куда остальные брезговали заглянуть.