Кіріспе

Топологиялық кванттық компьютер — 1997 жылы орыс-американдық физик Алексей Китаев ұсынған теориялық кванттық компьютер. Ол екі өлшемді жүйелердегі квазибөлшектерді пайдаланады, оларды аниондар деп атайды, олардың траекториялары бір-бірінің айналасынан өтіп, үш өлшемді кеңістікте (яғни бір уақыт және екі кеңістік өлшемі) өрімдер құрайды. Бұл өрімдер компьютерді құрайтын логикалық қақпаларды құрайды. Кванттық өрімдерге негізделген кванттық компьютердің, тұтқынға түскен кванттық бөлшектерді пайдаланудан артықшылығы – оның әлдеқайда тұрақты болуы. Кішкентай, жинақталған бұзылыстар кванттық күйлердің декогеренциясына және есептеулерде қателерге әкелуі мүмкін, бірақ мұндай шағын бұзылыстар өрімдердің топологиялық қасиеттерін өзгертпейді. Бұл, төрт өлшемді кеңістіктегі кванттық бөлшекті білдіретін шардың қабырғаға соғылуына қарағанда, жіпті кесіп, сосын ұштарын қайта жалғауға кететін күш сияқты. Топологиялық кванттық компьютердің элементтері таза математикалық саладан шыққан болса да, бөлшектік кванттық Холл жүйелеріндегі тәжірибелер осы элементтерді галлий арсенидінен жасалған жартылай өткізгіштерді абсолюттік нөлге жуық температурада және күшті магниттік өрістерге ұшырату арқылы нақты әлемде жасауға болатынын көрсетеді.

Кіріспе

Аниондар – екі өлшемді кеңістіктегі квазибөлшектер. Аниондар фермион да, бозон да емес, бірақ фермиондар сияқты, олар бірдей кванттық күйде бола алмайды. Сондықтан, екі анионның траекториялары қиылыса немесе біріге алмайды, бұл олардың кеңістікте тұрақты тоқуларды (braids) құруына мүмкіндік береді. Аниондар суық, екі өлшемді электрондық газда, өте күшті магнит өрісіндегі қозулар арқылы пайда болады және магнит ағынының бөлшек бірліктерін тасымалдай алады. Бұл құбылыс фракциялық кванттық Холл эффектісі деп аталады. Типик зертханалық жүйелерде электрондық газ алюминий-галлий арсенидінің қабаттары арасында орналасқан жұқа жартылай өткізгіш қабатты құрайды. Аниондар тоқылғанда, жүйенің кванттық күйінің өзгеруі тек аниондар траекториясының топологиялық класына тәуелді болады (олар тоқу тобы бойынша жіктеледі). Сондықтан жүйенің күйінде сақталған кванттық ақпарат траекториядағы шағын қателерге төзімді келеді. 2005 жылы Санкар Дас Сарма, Майкл Фридман және Четан Наяк топологиялық кубитті жүзеге асыратын кванттық Холл құрылғысын ұсынды. 2005 жылы Владимир Дж. Голдман, Фернандо Е. Камино және Вей Чжоу фракциялық кванттық Холл эффектін пайдаланып нақты аниондар жасап, оларды байқағандарын мәлімдеді, бірақ басқалар олардың нәтижелері аниондарға қатысы жоқ құбылыстардың нәтижесі болуы мүмкін деп санайды. Топологиялық кванттық компьютерлер үшін қажетті абельдік емес аниондар әлі тәжірибе жүзінде расталмаған. Эксперименттік дәлелдер табылды, бірақ қорытындылар әлі де даулы. 2018 жылы ғалымдар қажетті Майорана бөлшектерін оқшаулады деп мәлімдеді, бірақ бұл нәтиже 2021 жылы қайтарылып алынды. Quanta Magazine 2021 жылы "ешкім тіпті бір (Majorana zero mode) квазибөлшектің бар екенін нақты дәлелдей алмады" деп хабарлады, бірақ 2023 жылы журнал Google және Quantinuum компанияларының кванттық процессорларда абельдік емес аниондарды жүзеге асыру туралы алдын ала баяндамаларын жариялады. Біріншісі топологиялық дегенерация (немесе топологиялық ақау) ретінде бұрылыс ақаулары бар торикалық кодты қолданды, ал екіншісі басқа, бірақ байланысты хаттаманы қолданды, екеуі де кванттық қателерді түзетудегі Майорана шекаралық күйлері ретінде түсіндірілуі мүмкін.

Топологиялық және стандартты кванттық компьютерлер

Топологиялық кванттық компьютерлер есептеу қуаты жағынан кванттық есептеудің басқа стандартты модельдеріне, атап айтқанда кванттық схема моделіне және кванттық Тьюринг машинасының моделіне тең. Олар дәстүрлі кванттық компьютерлік құрылғының логикалық схемалары қатесіз жұмыс істеген жағдайда абсолютті дәлдікпен шешім беретінін, ал қатесіз жұмыс істейтін топологиялық кванттық есептеу құрылғысы тек шекті дәлдікпен шешім беретінін анықтады. Дегенмен, топологиялық кванттық компьютерге қарапайым сызықтық қатынаста көбірек өрім бұрылыстарын (логикалық тізбектерді) қосу арқылы жауаптың кез келген дәлдігіне қол жеткізуге болады. Яғни, элементтердің (өрім бұрылыстарының) ұлғаюы жауаптың жоғары дәрежедегі дәлдігіне мүмкіндік береді. Нақты есептеулер (гейттер) бөлшектік кванттық Холл эффектісінің жиектері арқылы жүзеге асырылады. Бұл бір өлшемді аниондар модельдерін маңызды етеді. Бір кеңістікте аниондар алгебралық түрде анықталады.

Қателерді түзету және бақылау

Кванттық өрімдер тұтқындалған кванттық бөлшектерге қарағанда неғұрлым тұрақты болғанымен, қате тудыратын термиялық құбылуларды бақылау қажеттігі сақталады, олар іргелес өрімдерге кедергі келтіретін кездейсоқ анион жұптарын жасайды. Бұл қателерді бақылау – аниондарды арақашықтыққа бөлу арқылы жүзеге асырылады, онда кедергі келтіретін шашыраған аниондардың пайда болу жиілігі дерлік нөлге жетеді. Топологиялық кванттық компьютердің динамикасын модельдеу, тіпті стандартты кванттық ақпаратты өңдеу жүйесімен де қатеге төзімді кванттық есептеуді іске асырудың үміт беретін тәсілі болуы мүмкін. Рауссендорф, Харрингтон және Гоял бір модельді зерттеді, ал симуляция нәтижелері жақсы нәтижелер көрсетті.