非阿贝尔任意子实现通用量子计算：54量子比特验证全门集

据《科学日报》（ScienceDaily）2026年9月25日报道，芝加哥大学普利兹克分子工程学院（UChicago PME）联合哈佛大学、石溪大学以及量子计算公司Quantinuum的科学家，利用54个纠缠量子比特在Quantinuum H2处理器上成功演示了基于非阿贝尔任意子的通用量子门集。该成果首次从实验上证明，这种原本被视为“暗马”的准粒子能够执行量子计算所需的全部操作，且有望绕过传统量子纠错中成本高昂的“魔法态蒸馏”步骤，为构建大规模容错量子计算机开辟全新路径。相关论文于2026年发表在《自然》杂志（Nature, 655卷, 8123期, 页码591-596）。

从“暗马”到通用：非阿贝尔任意子实现关键突破

非阿贝尔任意子是一种在量子电路中通过纠缠多个普通量子比特创造出的准粒子态，其内部状态会随粒子间的“编织”（braiding）过程发生改变，且交换顺序影响结果。这种非阿贝尔特性使它们天然具备编码和运算量子信息的潜力，但直到2026年之前，科学家一直未能证明仅靠编织就能完成所有通用量子操作。本研究团队改用S3对称群（等价于等边三角形的旋转与镜像操作）对应的任意子，并创新性地将编织与“融合”（fusion）操作结合，最终实现了完整的通用门集。

“我们展示了所谓的通用门集——这意味着如果你将信息存储在这些类似夸克的涌现粒子中，然后移动它们，就可以执行任何你想要的量子计算。”芝加哥大学分子工程助理教授、论文共同作者Ruben Verresen表示。

传统量子纠错的瓶颈与魔法态蒸馏

当前量子计算机极易受环境噪声干扰，信息通常需分散在多个物理量子比特上实现纠错保护。然而，大多数纠错码本身并不提供通用计算所需的所有操作。为填补这一缺口，工程师常依赖名为“魔法态”（magic states）的特制资源——这些状态需要经过极为消耗量子比特的“蒸馏”或“培养”过程才能获得。

Quantinuum慕尼黑办公室董事总经理、论文共同作者Henrik Dreyer指出：“非阿贝尔编码是量子纠错竞赛中的一匹暗马。在这项工作中，我们展示了非阿贝尔编码中的首个通用门集，这证明容错计算原则上可以不用魔法态蒸馏或培养——这些正是标准量子纠错码中最昂贵的操作。”

非阿贝尔任意子的独特之处：编织与融合

普通量子比特依靠两个基本状态（0和1）及其量子叠加来存储信息。非阿贝尔任意子则完全不同——它们不是自然界中存在的孤立粒子，而是由多个量子比特通过纠缠“涌现”出的集体激发态。每个任意子携带内部自由度，当两个任意子相互绕转（编织）时，其内部状态会发生变化；而且，编织的顺序影响结果，这正是“非阿贝尔”名称的来源。

更重要的是，本研究证明单一编织操作不足以实现通用计算，必须搭配“融合”操作：将两个任意子合并并测量产物状态。通过编织产生一个纠缠门，再通过融合产生两种不同的测量结果，三者组合即可实现任意量子操作。Verresen比喻道：“这些编码在创造微小的宇宙——一个反映我们宇宙某些特性的平行宇宙。”

从D4到S3：为何对称性选择至关重要

2024年，包括Verresen在内的团队曾在Quantinuum离子阱计算机上创建与正方形对称群D4相关的非阿贝尔任意子，首次在硬件上证明了非阿贝尔秩序的存在。但那次实验只能展示粒子的操作，未能证明其足以完成通用计算。“那个特别创造的宇宙还不够强大。”Verresen回忆道。

2026年的实验转向了更小的对称群S3（三角形对称群），该群的理论基础可追溯到2003年Mochon的构想。研究团队在Quantinuum H2处理器上使用54个量子比特创建了S3任意子，并利用编织+融合成功实现了三种关键工具：一个编织门和两个融合测量操作。更重要的是，他们验证了这些操作可以直接产生魔法态，而无需经过蒸馏步骤。

实验过程：在54量子比特上构建拓扑量子三比特

传统的量子比特基于二进制（0和1），而研究团队利用任意子对编码了“拓扑量子三比特”（topological qutrit），每个三比特可存储三个可能的量子信息级别。在实验中，他们首先通过量子电路中的全局操作将54个量子纠缠到S3任意子态，然后执行预定的编织路径（改变任意子间的相对位置）和融合操作（测量合并后的状态）。所有操作均在2026年9月的Quantinuum H2硬件上完成，且每个步骤的保真度符合理论预期。

哈佛大学研究生、领导实验的Anasuya Lyons和Chiu Fan Bowen Lo表示：“看到我们博士期间研究的想法在实验室中实现，令人欣慰。这在过去几年量子硬件重大进步的基础上才成为可能。”

迈向容错量子计算机：下一步目标

尽管本次实验尚未包含主动纠错，但它证明了非阿贝尔任意子在原理上可以绕过最昂贵的蒸馏步骤。Verresen指出：“到目前为止，我们忽略了纠错问题。这更像是一个原理验证。”

下一步的关键是将这些操作与主动纠错结合。如果成功，基于非阿贝尔任意子的量子处理器将有望从实验室原型走向实用化。芝加哥大学团队已着手开发稳定非阿贝尔量子存储器的技术，而Quantinuum正在规划下一代离子阱处理器以支持更大规模的拓扑操作。

Q1: 什么是非阿贝尔任意子？

A1: 非阿贝尔任意子是一种在量子电路中通过纠缠多个普通量子比特创造出的准粒子态，不属于自然界中的基本粒子。其特殊之处在于交换两个任意子时，系统的量子态不仅改变符号，还会发生更复杂的线性变换（非交换性，即非阿贝尔性），因此可以用来编码和运算量子信息，且天然具有对局部扰动的容错能力。

Q2: 这项突破对量子计算意味着什么？

A2: 该成果首次实验证明，非阿贝尔任意子可执行通用量子计算所需的全部门操作，且无需传统方法中极为昂贵的魔法态蒸馏——这一过程往往消耗大量量子比特和计算时间。若未来能将此方案与主动纠错结合，可能显著降低容错量子计算机的硬件开销，加速从当前中等规模有噪量子设备到大规模容错量子计算机的跨越。

从2024年证明非阿贝尔任意子存在，到2026年实现通用门集，非阿贝尔任意子这条“暗马”赛道正越跑越清晰。随着研究人员将拓扑操作与主动纠错结合，非阿贝尔任意子有望成为构建实用容错量子计算机的基石。