تصویر: حلقه‌های بورومی در کلیسایی در فلورانس – اگر یکی از حلقه‌ها حذف شود، دو حلقه‌ی باقی‌مانده دیگر به هم متصل نخواهند بود.
چنین اتصال سه طرفه‌ای نماد یکی از پدیده‌های مورد توجه فیزیک کوانتومی است. دانشمندان به منظور ساخت ذرات مجازی و کنترل آن‌ها برای دستیابی به این ساختار، از کامپیوترهای کوانتومی بهره جسته‌اند.
ذرات عجیبی در طبیعت با عنوان یون‌های غیرآبلی – یا به اختصار غیرآبلی – شناخته می‌شوند. امکان مشاهده این ذرات با اتصالی مانند حلقه‌های بورومی تنها در یک کامپیوتر کوانتومی ممکن است. اتصالی به این شکل می‌تواند باعث شود که یک کامیپوتر کوانتومی مقاومت خطای بیشتری داشته باشد. این ویژگی به عنوان یک گام کلیدی در توسعه‌ی کامپیوترهای کوانتومی به شمار می‌رود.
یک گروه از دانشمندان Quantinuum در گزارشی بیان کردند که قادر به ساخت و استفاده از این ذرات هستند. در آزمایشی که با استفاده کامپیوتر کوانتومی مدل H2 این کمپانی انجام شد، گروهی از محققان موفق به ارائه‌ی یک حالت توپولوژیکالی غیرآبلی شدند. بسیاری از متخصصان این حوزه معتقدند که این دستاورد موجب می‌شود که در یک کامپیوتر کوانتومی نیاز به تصحیح خطا کاهش یافته و در نتیجه مقاومت در برابر خطا بیشتر شود.
بنیان‌گذار و مسئول ارشد کمپانی Quantinuum در مورد اهمیت این دستاورد بیان می‌کند که استفاده از یک کامپیوتر کوانتومی به عنوان ابزاری برای ساخت کیوبیت‌های توپولوژیکال و نقش این موضوع در راستای دستیابی به یک کامپیوتر کوانتومی مقاوم به خطا، گواه بر این قضیه است که یک سیستم کوانتومی به بهترین وجه توسط سایر سیستم‌های کوانتومی ساخته می‌شود.
سیستم‌های کوانتومی سری H در کمپانی Quantinuum
Quantinuum بدون شک به عنوان بزرگترین شرکت کامپیوترهای کوانتومی فول‌استک شناخته می‌شود. در این آزمایش، از کامپیوتر کوانتومی H2 این کمپانی استفاده شد. مدل H2 این سری از کامپیوتر‌ها، نسبت به مدل پیشین خود، H1، پیچیدگی و ظرفیت کیوبیت بیشتری دارد و تمام قابلیت‌ها و وفاداری نسل قبل را نیز حفظ می‌کند. این مدل در حالی شامل 32 کیوبیت است که مدل قبلی با 10 کیوبیت شروع به کار کرد و بعد‌ها به 20 کیوبیت نیز رسید. از طرفی در مدل H2 اگرچه تعداد کیوبیت‌ها افزایش نمی‌یابد، اما این مدل به ظرفیت کوانتومی بالاتری، نسبت به هر کامپیوتر کوانتومی موجود، و معادل 2 به توان 16 یا 65536 دست یافته است.
سیستم 32 کیوبیتی H2 قادر به حفظ همه‌ی اتصالات بین کیوبیت‌ها در H1 است و این بدان معناست که هر کیوبیت در H2 می‌تواند با هر کیوبیت دیگری در سیستم درهمتنیده شود. طراحی منحصربفرد H2 باعث می‌شود که این سیستم پلتفرم مناسبی برای انجام آزمایش موردنظر باشد. اول اینکه این سیستم دارای تعداد کافی کیوبیت است. به علاوه این آزمایش نیازمند وفاداری بالایی است که به واسطه‌ی H2 میسر می‌شود. وفاداری در محاسبات کوانتومی از این حیث حائز اهمیت است که بیان‌کننده‌ی دقت و قابل‌اطمینان بودن اپراتورها و الگوریتم‌های کوانتومی هستند. همچنین، در فرایند اندازه‌گیری، باید اندازه‌گیری در میانه انجام شود. زمانی که یک حالت درحال اندازه‌گیری است، قادر هستیم وضعیت سیستم را تا حدودی درک کنیم و نیز حالت موردنظر را کنترل کنیم. به این کار منطق شرطی می‌گویند. در واقع سیستم کوانتومی H2 تنها سیستمی در جهان است که می‌تواند همه‌ی این امکانات را فراهم کند و تئوری را به مرحله‌ی آزمایش برساند.
ساختار غیرآبلی
سیستم H2 دارای چیپی است که می‌تواند میدان الکتریکی برای به دام انداختن 32 یون از سطوح بالای عنصر ایتربیوم را ایجاد کند. هر یون را می‌تواند به عنوان یک کیوبیت رمزگذاری شود. همانطور که گفته شد، در این سیستم، هر کیوبیت می‌تواند با سایر کیوبیت‌ها درهمتنیده شود. فیزیکدان‌ها از این امکان بهره جسته و یک درهمتنیدگی پیچیده و غیرمعمول کوانتومی را خلق می‌کنند. این عمل بدین شکل است که در آن هر 32 یون حالت کوانتومی یکسانی را دارا می‌شوند. با مهندسی این برهمکنش‌ها، یون‌ها یک شبکه مجازی از درهمتنیدگی با ساختار کاگوم می‌کنند. کاگوم الگویی است که در سبدبافی ژاپنی استفاده می‌شود و شبیه به همپوشانی ستاره‌های شش پر با یکدیگر است و این ستاره‌ها به گونه‌ای قرار گرفته‌اند تا شکلی مانند یک دونات ایجاد کنند. حالت‌های درهمتنیده نشانگر حالت‌هایی با کمترین انرژی در یک شبکه دو بعدی هستند، به طوری که هر حالت حتی می‌تواند شامل هیچ ذره‌ای نباشد ولی با دستکاری بیشتر، هر کاگوم می‌تواند در حالت برانگیخته قرار گیرد. این فرایند می‌تواند در ساختار ذراتی با ویژگی غیرآبلی دیده شود.
برای اثبات اینکه حالت‌های برانگیخته، غیرآبلی هستند، تیم تحقیقاتی مجموعه‌ای از آزمایش‌ها را انجام داد. یکی از این آزمایش‌ها شامل حرکت حالات برانگیخته به اطراف، به گونه‌ای بود که حلقه‌های بورومی تشکیل شود. همچنین ظاهر ساختار نیز با استفاده از اندازه‌گیری یون‌ها در طی و پایان فرایند تایید شد. در این ساختار هیچ دو ذره‌ای به تنهایی یکدیگر را در برنگرفته‌اند، بلکه همه‌ی آن‌ها با هم به یکدیگر متصل هستند. این ساختار حالت شگفت‌انگیزی از یک ماده است که تا کنون اطلاعات و شناخت کمی از آن موجود است.
غیرآبلی‌ها، که هم در ریاضیات و هم در فیزیک مطالعه می‌شوند، نوعی از آنیون هستند. آنیون ذره‌ای است که تنها در جهان دو بعدی و یا در ساختاری که ماده در یک سطح دو بعدی محبوس است، دیده می‌شود. مانند محل اتصال دو ماده جامد.
آنیون‌ها یکی از رایج‌ترین نظریات فیزیک را ک ذرات به دو دسته‌ی فرمیون‌ها و بوزون‌ها تقسیم می‌شوند، را به چالش می‌کشد. زمانی‌که مکان دو فرمیون همسان جابجا می‌شود، حالت کوانتومی آن‌ها (تابع موج آن‌ها) به اندازه‌ی 180 درجه تغییر می‌کند (در فضای هیلبرت)، اما در تغییر مکان مشابه برای بوزون‌ها، تابع موج آن‌ها بدون تغییر باقی می‌ماند.
هرگاه که مکان دو آنیون جابجا شود، هیچ‌یک از دو حالت بالا اتفاق نمی‌افتد. به جای آن برای آبلی‌های استاندارد، تابع موج با یک درجه‌ی مشخص، و متفاومت از فرمیون‌ها (180درجه)، شیفت می‌کند. در سوی دیگر، آنیون‌های غیرآبلی در این شرایط، حالت کوانتومی خود را به صورت پیچیده‌ای تغییر میدهند. این تغییر حالت از این رو مهم است که نیازمند محاسبات کوانتومی غیرآبلی است چرا که در این نوع محاسبات خروجی‌های متفاوتی دیده می‌شوند.
غیرآبلی‌های توپولوژیکی
غیرآبلی‌ها می‌توانند در انجام محاسبات کوانتومی، دارای مزیت بیشتری باشند. در واقع، ممکن است اطلاعات روی یک کیوبیت به سرعت از دست رفته و با ایجاد خطا، در روند محاسبات کوانتومی محدودیت ایجاد نماید. غیرآبلی‌ها می‌توانند در این فرایند موثر باشند چرا که وقتی به یک دیگر حلقه شده‌اند، مسیری که طی می‌کنند باید نسبت به خطا مقاوم باشد. اختلا‌ل‌هایی مانند اختلال‌های مغناطیسی اگر چه روی مسیر حرکت آن‌ها اثر گذار است اما در ماهیت و نحوه‌ی اتصال آن‌ها تاثیری ندارد. به این نحوه‌ی اتصال، توپولوژی می‌گویند.
با وجود تلاش‌های گسترده‌ای که در طی بیست سال اخیر و در راستای دستیابی به کیوبیت‌های توپولوژیکال انجام شده‌است، سیستم جدید Quantinuum گام اولیه‌ی مهمی در ساخت چنین حالتی و با هدف رسیدن به تکنولوژی کامپیوترهای کوانتومی توپولوژیکال برداشته است.
از این رو آنیون‌های غیرآبلی، با توجه به ماهیتی که دارند، می‌توانند در ساخت کامپیوترهای کوانتومی مقاوم به خطا موثر باشند.
