คอมพิวเตอร์ควอนตัมเชิงทอพอโลยี

คอมพิวเตอร์ค วอนตัมเชิงทอพอโลยี เป็น คอมพิวเตอร์ควอนตัมประเภทหนึ่งมันใช้แอนยอน ซึ่ง เป็นอนุภาคเสมือนประเภทหนึ่ง ที่เกิดขึ้นในระบบสองมิติ เส้นทางโลกของแอนยอนจะพันกันเป็นเกลียว ใน ปริภูมิเวลาสามมิติ(หนึ่งมิติเวลาและสองมิติอวกาศ) เกลียวเหล่านี้ทำหน้าที่เป็นเกตตรรกะของคอมพิวเตอร์ ข้อได้เปรียบหลักของการใช้เกลียวควอนตัมเหนืออนุภาคควอนตัมที่ถูกดักจับคือความเสถียร ในขณะที่การรบกวนเล็กน้อยแต่สะสมสามารถทำให้สถานะควอนตัมเสื่อมสภาพและทำให้เกิดข้อผิดพลาดในการคำนวณควอนตัมแบบดั้งเดิม การรบกวนดังกล่าวจะไม่เปลี่ยนแปลงคุณสมบัติเชิงทอพอโลยีของเกลียว ความเสถียรนี้คล้ายกับความแตกต่างระหว่างการตัดและต่อเชือกใหม่เพื่อสร้างเกลียวที่แตกต่างกันกับลูกบอล (ซึ่งแสดงถึงอนุภาคควอนตัมธรรมดาในปริภูมิเวลาสี่มิติ) ที่ชนกับกำแพง แนวคิดนี้เสนอโดยนักฟิสิกส์ชาวรัสเซีย-อเมริกันอเล็กเซย์ คิตาเยฟในปี 1997 [ 2 ]
แม้ว่าองค์ประกอบของคอมพิวเตอร์ควอนตัมเชิงทอพอโลยีจะมีต้นกำเนิดมาจากโลกคณิตศาสตร์ล้วนๆ แต่การทดลองในระบบควอนตัมฮอลล์แบบเศษส่วนบ่งชี้ว่าองค์ประกอบเหล่านี้อาจถูกสร้างขึ้นในโลกแห่งความเป็นจริงได้โดยใช้สารกึ่งตัวนำที่ทำจากแกลเลียมอาร์เซไนด์ที่อุณหภูมิเกือบศูนย์สัมบูรณ์และอยู่ภายใต้สนามแม่เหล็ก แรง สูง
การแนะนำ
แอนยอนเป็นอนุภาคเสมือนในปริภูมิสองมิติ แอนยอนไม่ใช่ทั้งเฟอร์มิออนหรือโบซอนแต่เช่นเดียวกับเฟอร์มิออน พวกมันไม่สามารถอยู่ในสถานะเดียวกันได้ ดังนั้นเส้นทางโลกของแอนยอนสองตัวจึงไม่สามารถตัดกันหรือรวมกันได้ ซึ่งทำให้เส้นทางของพวกมันก่อตัวเป็นเกลียวที่เสถียรในปริภูมิเวลาแอนยอนสามารถเกิดขึ้นได้จากการกระตุ้นในก๊าซอิเล็กตรอนสองมิติที่เย็นจัดในสนามแม่เหล็กที่แรงมาก และมีฟลักซ์แม่เหล็กเป็นเศษส่วน ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าปรากฏการณ์ควอนตัมฮอลล์เศษส่วนในระบบห้องปฏิบัติการทั่วไป ก๊าซอิเล็กตรอนจะอยู่ในชั้นสารกึ่งตัวนำบางๆ ที่อยู่ระหว่างชั้นของอะลูมิเนียมแกลเลียมอาร์เซไนด์[ 3 ] [ 4 ]
เมื่อแอนยอนถูกถักทอ การเปลี่ยนแปลงสถานะควอนตัมของระบบจะขึ้นอยู่กับคลาสโทโพโลยีของวิถีการเคลื่อนที่ของแอนยอนเท่านั้น (ซึ่งถูกจัดประเภทตามกลุ่มการถักทอ ) ดังนั้น ข้อมูลควอนตัมที่เก็บไว้ในสถานะของระบบจึงไม่ได้รับผลกระทบจากข้อผิดพลาดเล็กน้อยในวิถีการเคลื่อนที่[ 5 ]ในปี 2548 Sankar Das Sarma , Michael FreedmanและChetan Nayakได้เสนออุปกรณ์ควอนตัมฮอลล์ที่จะสร้างคิวบิตโทโพโลยี ในปี 2548 Vladimir J. Goldman, Fernando E. Camino และ Wei Zhou [ 6 ]อ้างว่าได้สร้างและสังเกตหลักฐานเชิงทดลองแรกสำหรับการใช้ผลกระทบควอนตัมฮอลล์แบบเศษส่วนเพื่อสร้างแอนยอนจริง แม้ว่าคนอื่นๆ จะแนะนำว่าผลลัพธ์ของพวกเขาอาจเป็นผลมาจากปรากฏการณ์ที่ไม่เกี่ยวข้องกับแอนยอน แอนยอน ที่ไม่เป็นอาเบเลียนซึ่งเป็นชนิดที่จำเป็นสำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัมโทโพโลยี ยังไม่ได้รับการยืนยันเชิงทดลอง มีการค้นพบหลักฐานเชิงทดลองที่เป็นไปได้[ 7 ]แต่ข้อสรุปยังคงเป็นที่ถกเถียงกันอยู่[ 8 ]ในปี 2018 นักวิทยาศาสตร์ได้อ้างอีกครั้งว่าได้แยกอนุภาค Majorana ที่จำเป็นออกมาได้แล้ว แต่การค้นพบดังกล่าวถูกถอนคืนในปี 2021 นิตยสาร Quantaระบุในปี 2021 ว่า "ไม่มีใครแสดงให้เห็นอย่างน่าเชื่อถือถึงการมีอยู่ของอนุภาคกึ่งควอนตัม (Majorana zero-mode) แม้แต่ตัวเดียว" [ 9 ]แม้ว่าในปี 2023 บทความใหม่[ 10 ]โดยนิตยสารจะกล่าวถึงเอกสารก่อนตีพิมพ์บางส่วนโดยGoogle [ 11 ]และQuantinuum [ 12 ]ที่อ้างว่ามีการตระหนักถึงแอนยอนที่ไม่เป็นอาเบเลียนบนโปรเซสเซอร์ควอนตัม โดยอันแรกใช้รหัสทอริกที่มีข้อบกพร่องแบบบิดเป็นความเสื่อมทางโทโพโลยี (หรือข้อบกพร่องทางโทโพโลยี ) ในขณะที่อันที่สองใช้โปรโตคอลที่แตกต่างกันแต่เกี่ยวข้อง ซึ่งทั้งสองอย่างสามารถเข้าใจได้ว่าเป็นสถานะผูกพัน Majorana ในการแก้ไขข้อผิดพลาดควอนตัม
คอมพิวเตอร์ควอนตัมเชิงทอพอโลยีเทียบกับคอมพิวเตอร์ควอนตัมมาตรฐาน
คอมพิวเตอร์ควอนตัมเชิงทอพอโลยีมีกำลังการคำนวณเทียบเท่ากับแบบจำลองมาตรฐานอื่นๆ ของการคำนวณควอนตัม โดยเฉพาะอย่างยิ่ง แบบ จำลองวงจรควอนตัมและแบบจำลองเครื่องจักรทัวริงควอนตัม[ 13 ]กล่าวคือ แบบจำลองใดๆ เหล่านี้สามารถจำลองแบบจำลองอื่นๆ ได้อย่างมีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตาม อัลกอริทึมบางอย่างอาจเหมาะสมกับแบบจำลองคอมพิวเตอร์ควอนตัมเชิงทอพอโลยีมากกว่า ตัวอย่างเช่น อัลกอริทึมสำหรับการประเมินพหุนามโจนส์ได้รับการพัฒนาขึ้นครั้งแรกในแบบจำลองเชิงทอพอโลยี และต่อมาจึงแปลงและขยายในแบบจำลองวงจรควอนตัมมาตรฐาน
การคำนวณ
เพื่อให้สมกับชื่อของมัน คอมพิวเตอร์ควอนตัมเชิงทอพอโลยีต้องมีคุณสมบัติการคำนวณเฉพาะตัวตามที่คอมพิวเตอร์ควอนตัมแบบดั้งเดิมซึ่งใช้ควอนตัมอนุภาคที่ถูกดักจับสัญญาไว้ ในปี 2000 Michael H. Freedman , Alexei Kitaev , Michael J. LarsenและZhenghan Wangได้พิสูจน์ว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมเชิงทอพอโลยีสามารถทำการคำนวณใดๆ ก็ได้ที่คอมพิวเตอร์ควอนตัมแบบดั้งเดิมสามารถทำได้ และในทางกลับกัน[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]
พวกเขาพบว่าอุปกรณ์คอมพิวเตอร์ควอนตัมแบบดั้งเดิม หากวงจรตรรกะทำงานโดยปราศจากข้อผิดพลาด จะให้คำตอบที่มีความแม่นยำในระดับสัมบูรณ์ ในขณะที่อุปกรณ์คอมพิวเตอร์ควอนตัมเชิงทอพอโลยี หากทำงานโดยปราศจากข้อผิดพลาด จะให้คำตอบที่มีความแม่นยำในระดับจำกัดเท่านั้น อย่างไรก็ตาม สามารถเพิ่มความแม่นยำของคำตอบได้ทุกระดับโดยการเพิ่มการบิดเกลียว (วงจรตรรกะ) ให้กับคอมพิวเตอร์ควอนตัมเชิงทอพอโลยี ในความสัมพันธ์เชิงเส้นอย่างง่าย กล่าวอีกนัยหนึ่ง การเพิ่มจำนวนองค์ประกอบ (การบิดเกลียว) ในระดับที่เหมาะสม สามารถทำให้ได้ความแม่นยำสูงในคำตอบ การคำนวณจริง [เกต] ทำได้โดยสถานะขอบของปรากฏการณ์ควอนตัมฮอลล์แบบเศษส่วน ซึ่งทำให้แบบจำลองของแอนยอนหนึ่งมิติมีความสำคัญ ในมิติพื้นที่หนึ่ง แอนยอนถูกกำหนดทางพีชคณิต
การแก้ไขและควบคุมข้อผิดพลาด
แม้ว่าสายถักควอนตัมจะมีเสถียรภาพมากกว่าอนุภาคควอนตัมที่ถูกดักจับโดยธรรมชาติ แต่ก็ยังจำเป็นต้องควบคุมความผันผวนทางความร้อนที่ก่อให้เกิดข้อผิดพลาด ซึ่งสร้างคู่แอนยอนที่หลงทางแบบสุ่มซึ่งรบกวนสายถักที่อยู่ติดกัน การควบคุมข้อผิดพลาดเหล่านี้เป็นเรื่องง่ายๆ เพียงแค่แยกแอนยอนออกไปในระยะที่อัตราการหลงทางที่รบกวนลดลงจนเกือบเป็นศูนย์ การจำลองพลวัตของคอมพิวเตอร์ควอนตัมเชิงทอพอโลยีอาจเป็นวิธีการที่มีแนวโน้มดีในการนำการคำนวณควอนตัมที่ทนต่อข้อผิดพลาดมาใช้ แม้จะมีรูปแบบการประมวลผลข้อมูลควอนตัมมาตรฐานก็ตาม Raussendorf, Harrington และ Goyal ได้ศึกษาแบบจำลองหนึ่งแบบ ซึ่งให้ผลการจำลองที่น่าสนใจ[ 16 ]
ตัวอย่าง: การคำนวณด้วยเลขคณิตฟิโบนาชี่
หนึ่งในตัวอย่างที่โดดเด่นในการคำนวณควอนตัมเชิงทอพอโลยีคือระบบของแอนยอนฟิโบนาชชี แอนยอนฟิโบนาชชีได้รับการอธิบายว่าเป็น "อนุภาคที่เกิดขึ้นใหม่ซึ่งมีคุณสมบัติว่าเมื่อคุณเพิ่มอนุภาคเข้าไปในระบบมากขึ้น จำนวนสถานะควอนตัมจะเพิ่มขึ้นตามลำดับฟิโบนาชชี 1, 2, 3, 5, 8 เป็นต้น" [ 17 ]ในบริบทของทฤษฎีสนามคอนฟอร์มอล แอนยอนฟิโบนาชชีได้รับการอธิบายโดยแบบจำลอง Yang–Lee กรณีพิเศษ SU(2) ของทฤษฎี Chern–Simonsและแบบจำลอง Wess–Zumino–Witten [ 18 ] แอนยอนเหล่านี้สามารถใช้สร้างเกตทั่วไปสำหรับการคำนวณควอนตัมเชิงทอพอโลยีได้ มีสามขั้นตอนหลักในการสร้างแบบจำลอง:
- เลือกฐานของเราและจำกัดขอบเขตของพื้นที่ฮิลเบิร์ต ของเรา
- ถักเปียแอนยอนเข้าด้วยกัน
- รวมแอนยอนเข้าด้วยกันในตอนท้ายและตรวจจับวิธีการรวมตัวของพวกมันเพื่ออ่านค่าเอาต์พุตของระบบ
การเตรียมการของรัฐ
ลำดับฟิโบนาชี่ถูกกำหนดโดยคุณสมบัติสามประการ:
- พวกเขามีประจุทางทอพอโลยีของในการอภิปรายนี้ เราจะพิจารณาข้อหาอีกข้อหนึ่งที่เรียกว่าซึ่งก็คือประจุ 'สุญญากาศ' หากอนุภาคแอนยอนถูกทำลายล้างซึ่งกันและกัน
- แอนยอนแต่ละตัวเหล่านี้เป็นปฏิอนุภาคของตัวเองและ.
- หากนำมาอยู่ใกล้กัน พวกมันจะ 'หลอมรวม' เข้าด้วยกันในลักษณะที่ไม่ธรรมดา โดยเฉพาะอย่างยิ่ง กฎการ 'หลอมรวม' มีดังนี้:
- คุณสมบัติหลายอย่างของระบบนี้สามารถอธิบายได้ในทำนองเดียวกันกับอนุภาคสปิน 1/2 สองตัว โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เราใช้ผลคูณเทนเซอร์ แบบเดียวกันและผลรวมโดยตรงผู้ปฏิบัติงาน
กฎ 'การหลอมรวม' ข้อสุดท้ายนี้สามารถขยายไปใช้กับระบบของแอนยอนสามตัวได้:
ดังนั้น การรวมแอนยอนสามตัวเข้าด้วยกันจะทำให้เกิดสถานะสุดท้ายที่มีประจุรวมใน 2 วิธี หรือข้อกล่าวหาด้วยวิธีเดียวเท่านั้น เราใช้สถานะสามสถานะเพื่อกำหนดฐานของเรา[ 19 ]อย่างไรก็ตาม เนื่องจากเราต้องการเข้ารหัสสถานะแอนยอนทั้งสามนี้เป็นการซ้อนทับของ 0 และ 1 เราจึงจำเป็นต้องจำกัดฐานไว้ที่ปริภูมิฮิลเบิร์ตสองมิติ ดังนั้น เราจึงพิจารณาเพียงสองสถานะที่มีประจุรวมเท่ากับการเลือกนี้เป็นเพียงปรากฏการณ์วิทยาเท่านั้น ในสถานะเหล่านี้ เราจัดกลุ่มแอนยอนสองตัวซ้ายสุดไว้ใน 'กลุ่มควบคุม' และปล่อยให้แอนยอนตัวขวาสุดเป็น 'แอนยอนที่ไม่สามารถคำนวณได้' เราจำแนกประเภทสถานะดังกล่าวคือสถานะที่กลุ่มควบคุมมีประจุ 'หลอมรวม' ทั้งหมดและสถานะของมีกลุ่มควบคุมที่มีประจุ 'หลอมรวม' ทั้งหมดเท่ากับสำหรับคำอธิบายที่สมบูรณ์ยิ่งขึ้น โปรดดู Nayak [ 19 ]
ประตู
จากแนวคิดข้างต้น การถักทอแอนยอนเหล่านี้เข้าด้วยกัน แบบอะเดียแบติกจะส่งผลให้เกิดการแปลงแบบเอกภาพ ตัวดำเนินการถักทอเหล่านี้เป็นผลมาจากตัวดำเนินการสองกลุ่มย่อย:
- เมทริกซ์F
- เมทริกซ์R
ในเชิงแนวคิดแล้ว เมท ริกซ์ Rสามารถมองได้ว่าเป็นเฟสทางโทโพโลยีที่ถ่ายทอดไปยังแอนยอนในระหว่างการถักทอ เมื่อแอนยอนพันรอบกัน พวกมันจะได้รับเฟสบางอย่างเนื่องจากปรากฏการณ์Aharonov–Bohm
เมท ริกซ์ Fเป็นผลมาจากการหมุนทางกายภาพของแอนยอน ขณะที่พวกมันถักทอเข้าด้วยกัน สิ่งสำคัญคือต้องตระหนักว่าแอนยอนสองตัวล่างสุด—กลุ่มควบคุม—จะยังคงแยกแยะสถานะของคิวบิตได้ ดังนั้น การถักทอแอนยอนจะเปลี่ยนแอนยอนที่อยู่ในกลุ่มควบคุม และด้วยเหตุนี้จึงเปลี่ยนฐาน เราประเมินแอนยอนโดยการรวมกลุ่มควบคุม (แอนยอนล่างสุด) เข้าด้วยกันก่อนเสมอ ดังนั้นการสลับแอนยอนเหล่านี้จะทำให้ระบบหมุน เนื่องจากแอนยอนเหล่านี้ไม่ใช่แบบอะเบเลียนลำดับของแอนยอน (แอนยอนใดอยู่ในกลุ่มควบคุม) จึงมีความสำคัญ และด้วยเหตุนี้พวกมันจึงจะเปลี่ยนแปลงระบบ
ตัวดำเนินการถักเปียแบบสมบูรณ์สามารถหาได้ดังนี้:
เพื่อสร้าง ตัวดำเนินการ FและR ทางคณิตศาสตร์ เราสามารถพิจารณาการเรียงสับเปลี่ยนของตัวดำเนินการ F และ R เหล่านี้ได้ เรารู้ว่าหากเราเปลี่ยนฐานที่เรากำลังดำเนินการตามลำดับ ในที่สุดสิ่งนี้จะนำเรากลับไปยังฐานเดิม ในทำนองเดียวกัน เรารู้ว่าหากเราถักแอนยอนรอบกันเป็นจำนวนครั้งที่กำหนด สิ่งนี้จะนำเรากลับไปยังสถานะเดิม สัจพจน์เหล่านี้เรียกว่าสัจพจน์ห้าเหลี่ยมและ หกเหลี่ยม ตามลำดับ เนื่องจากการดำเนินการสามารถมองเห็นได้ด้วยรูปห้าเหลี่ยม/หกเหลี่ยมของการแปลงสถานะ แม้ว่าจะยากทางคณิตศาสตร์[ 20 ] แต่ สิ่งเหล่านี้สามารถเข้าถึงได้สำเร็จมากขึ้นด้วยภาพ
ด้วยตัวดำเนินการถักเปียเหล่านี้ ในที่สุดเราก็สามารถกำหนดแนวคิดของการถักเปียอย่างเป็นทางการได้ในแง่ของการกระทำต่อปริภูมิฮิลเบิร์ตของเรา และสร้างเกตควอนตัมสากลตามอำเภอใจได้[ 21 ]
ความพยายามในการทดลอง
ในปี 2018 Leo Kouwenhovenซึ่งทำงานให้กับ Microsoft ได้ตีพิมพ์บทความในNatureโดยระบุว่าพบหลักฐานที่ชัดเจนของ "จุดสูงสุดที่มีอคติเป็นศูนย์" ซึ่งบ่งชี้ถึงอนุภาคกึ่งมาโจรานา ในปี 2020 บทความดังกล่าวได้รับหมายเหตุบรรณาธิการที่แสดงความกังวล ในปี 2021 ในบทความติดตามผลระบุว่าข้อมูลในบทความปี 2018 ไม่สมบูรณ์และแสดงผลลัพธ์ที่ผิดพลาด[ 22 ]
ในปี 2023 นักวิจัย ของ Microsoft Quantumได้ตีพิมพ์บทความในPhysical Reviewซึ่งอธิบายถึงอุปกรณ์ใหม่ที่สามารถแสดงคิวบิตเชิงตรรกะด้วยความเสถียรของฮาร์ดแวร์ โดยวัดเฟสของสสารที่สอดคล้องกับการสังเกตการนำยิ่งยวดเชิงทอพอโลยีและโหมดศูนย์ Majorana [ 23 ]นักวิทยาศาสตร์รายงานว่า "อุปกรณ์ดังกล่าวแสดงให้เห็นถึงความไม่เป็นระเบียบที่ต่ำพอที่จะผ่านโปรโตคอลช่องว่างเชิงทอพอโลยี ซึ่งพิสูจน์ได้ว่าเทคโนโลยีนี้ใช้งานได้จริง" [ 24 ]สิ่งพิมพ์นี้ถูกวิพากษ์วิจารณ์โดยนักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ ว่าไม่ได้ให้หลักฐานที่เพียงพอสำหรับโหมด Majorana เหมือนในเอกสารก่อนหน้านี้[ 25 ] ในข่าวประชาสัมพันธ์ปี 2025 Microsoft ได้เปิด ตัวชิป Majorana 1โดยอ้างว่ามีหลักฐานบางส่วนของพฤติกรรมเชิงทอพอโลยี[ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]
ดูเพิ่มเติม
อ่านเพิ่มเติม
- คอลลินส์, เกรแฮม พี. (เมษายน 2549). "การคำนวณด้วยปมควอนตัม" (PDF) . ไซเอนทิสต์ อเมริกัน .
- Sarma, Sankar Das; Freedman, Michael; Nayak, Chetan (2005). "คิวบิตที่ได้รับการปกป้องทางทอพอโลยีจากสถานะควอนตัมฮอลล์เศษส่วนที่ไม่เป็นอาเบเลียนที่เป็นไปได้" Physical Review Letters . 94 (16) 166802. arXiv : cond-mat/0412343 . Bibcode : 2005PhRvL..94p6802D . doi : 10.1103/PhysRevLett.94.166802 . PMID 15904258 . S2CID 8773427 .
- Nayak, Chetan; Simon, Steven H. ; Stern, Ady ; Freedman, Michael ; Sarma, Sankar Das (2008). "Non-Abelian Anyons and Topological Quantum Computation". Reviews of Modern Physics . 80 (3): 1083– 1159. arXiv : 0707.1889 . Bibcode : 2008RvMP...80.1083N . doi : 10.1103/RevModPhys.80.1083 . S2CID 119628297 .
- ไซมอน, สตีเวน เอช. "การคำนวณควอนตัมแบบมีลูกเล่น "