物理学家在量子计算机上产生对称保护的马约拉纳边缘模式

GoogleQuantumAI的物理学家使用他们的量子计算机研究了一种有效粒子，这种粒子对可能降低量子计算性能的环境干扰更具弹性。这些被称为马约拉纳边缘模式的有效粒子是多个单个粒子集体激发的结果，就像海浪是由水分子的集体运动形成的一样。马约拉纳边缘模式在量子计算应用中特别受关注，因为它们表现出特殊的对称性，可以保护脆弱的量子态免受环境噪声的影响。

凝聚态物理学家菲利普·安德森(PhilipAnderson)曾写道：“说物理学是对对称性的研究，只是略微言过其实了。”事实上，几个世纪以来，研究物理现象及其与潜在对称性的关系一直是物理学的主旨。对称性只是关于系统可以进行哪些转换(例如平移、旋转或通过镜子反转)并保持不变的简单陈述。它们可以简化问题并阐明潜在的物理定律。而且，正如新研究所示，对称性甚至可以阻止看似无情的退相干量子过程。

在量子计算机上运行计算时，我们通常希望计算机中的量子位或“量子位”处于单一、纯量子态。但是，当外部电场或其他环境噪声扰乱这些状态时，就会发生退相干，将它们与其他状态混为一谈，从而产生不良状态。如果一个状态具有某种对称性，那么就有可能将其隔离，有效地创建一个稳定的孤岛，不可能与其他不具有特殊对称性的状态混合。这样，由于噪声不能再将对称状态与其他状态联系起来，它可以保持状态的相干性。

2000年，物理学家AlexeiKitaev设计了一个简单的模型来生成受对称保护的量子态。该模型由称为费米子的相互连接的粒子链组成。它们可以以这样一种方式连接，即两个有效粒子将出现在链的末端。但这些不是普通粒子——它们在空间中离域，每个粒子同时出现在链的两端。

这些是马约拉纳边缘模式(MEM)。这两种模式在所谓的奇偶变换下具有截然不同的行为。一种模式在这种变换下看起来完全相同，因此它是一种对称状态。另一个拿起一个减号。这两种状态之间的奇偶性差异意味着它们不能被许多外部噪声源(即那些也具有奇偶性对称性的噪声源)混合。

小米、PedramRoushan、DimaAbanin和他们在Google的同事在他们发表在《科学》杂志上的题为“超导量子比特链上的噪声弹性马约拉纳边缘模式”的新论文中，首次实现了这些具有超导量子比特的MEM。他们使用一种称为Jordan-Wigner变换的数学变换将Kitaev考虑过的模型映射到他们可以在其量子计算机上实现的模型：一维kicked-Ising模型。该模型将一维链中的每个量子位连接到它的两个最近邻居中的每一个，这样相邻的量子位就会相互作用。然后，“踢”会周期性地扰乱链条。

Mi和他的同事通过比较边缘量子位和链中间的行为来寻找MEM的特征。虽然中间量子比特的状态迅速退相干，但边缘量子比特的状态持续时间更长。Mi说，这是“MEM对外部退相干具有弹性的初步迹象。”

该团队随后对MEM的抗噪能力进行了一系列系统研究。作为第一步，他们测量了与系统各种量子态对应的能量，并观察到它们与Kitaev模型的教科书示例完全匹配。特别是，他们发现随着系统规模的增长，链两端的两个MEM的混合难度呈指数级增长——这是Kitaev模型的一个标志性特征。

接下来，该团队通过在量子电路的控制操作中添加低频噪声来扰乱系统。他们发现MEM不受这种扰动的影响，与其他没有对称性的通用边缘模式形成鲜明对比。令人惊讶的是，该团队还发现，MEM甚至对一些破坏伊辛模型对称性的噪声也具有弹性。这是由于一种称为“预热化”的机制，这种机制是由于将MEM转变为系统中其他可能的激发态所需的大量能源成本而产生的。

最后，团队测量了MEM的全波函数。这样做需要同时测量靠近链两端的不同数量的量子比特的状态。在这里，他们有了另一个惊人的发现：无论一次测量包含多少个量子位，其衰减时间都是相同的。换句话说，涉及多达12个量子位的测量在与仅涉及一个量子位的测量相同的时间尺度内衰减。这与较大的量子可观测值在存在噪声的情况下衰减得更快的直觉预期相反，并进一步突出了MEM的集体性质和噪声弹性。

Mi和Roushan相信，在未来，他们或许能够使用MEM来实现对称保护的量子门。他们的工作表明，MEM对低频噪声和小错误都不敏感，因此这是在量子处理器中制造更稳健门的有前途的途径。

研究人员计划继续提高这些MEM的保护水平，希望能够与一些用于对抗量子计算机退相干的领先技术相媲美。Abanin说：“未来工作的一个关键问题是这些技术是否可以扩展以达到与主动纠错码相当的保护水平。”