这是Sheldon的第62篇漫画，所有图片大约2.9MB。
一
量子计算有个难题
不论你把量子计算机放在多“安静”的地方，它周围的环境还是很容易干扰量子计算，导致运算出错。
想想看，物理学家常常让1个粒子携带1个量子比特，而我们周围的环境里动不动就是有10²³个粒子，随便让其中一个粒子撞一下，量子计算可能就出错了。就算将粒子周围的环境抽成真空，再降低到绝对零度附近，环境里还是会有大量的粒子，它们想要干扰1个粒子的运动还是太容易了。于是，量子比特只要稍微受到一点儿干扰，整个运算就会出错了。
二
拓扑学家有办法，“整体思维”来一发
拓扑学是一门数学分支，特别讲究“整体思维”。很多不了解科学的人喜欢说，现代科学只有分析思维，比不上传统智慧中的整体思维。其实，科学之中也有“整体思维”，拓扑学就是其中的一个代表。
比方说，这里有一个面包圈，还有一个咖啡杯。你说它们两个长得一样不一样？
拓扑学家证明（动图）：咖啡杯=甜甜圈
拓扑学家根本不关心一个东西的形状到底是方的还是圆的，是软的还是硬的，是粗糙的还是光滑的。他们总是关心一件事，
这个东西上面到底有几个洞
。
那么，拓扑学为什么能让量子计算不怕算错呢？我们打个比方就明白啦。
如果让拓扑学家用一堆字符编码信息，他就会把像“。o0OQqdD”这样的中间
有一个洞的
字符，全部表示
比特0
；把像“iltywscxnm”这样的一个洞也
没有的
字符，全部表示
比特1
。
这个时候，就算找一个不认识字母的人来抄写字母，把所有的字母形状全部抄错了，只要
整体上没有错
，把有洞的抄成有洞的，没洞的抄成没洞的，整段拓扑学家编码的信息
就不会真正出错
。
把拓扑学这样的整体思维应用到量子计算中，就是传说中不怕干扰，还能实现量子纠错功能的：
三
中国科学家用超冷铷原子
部分地模拟拓扑量子计算
2017年，中国科学技术大学的潘建伟教授及其同事苑震生、陈宇翱等，在极低的温度下，首次通过量子调控的方法，让800个铷原子4个4个纠缠在了一起，让它们
直接产生了四体相互作用，部分地模拟了Kitaev的甜甜圈模型
。
直接的四体相互作用
所谓拓扑量子计算，就是要靠这铷原子的
整体量子状态做计算
。
根据Kitaev的计算，铷原子间产生这种特殊的“四体相互作用”，如果不只存在邻近的一桌原子之间，而是数量非常庞大（
这要期待将来的实验实现
），遍布甜甜圈表面阵列中所有相邻的4个原子之间，它们的整体状态就会非常稳定，根本不怕一般的干扰。于是，用这种方法实现的拓扑量子计算，很难随随便便产生错误。
这将会
解决了量子计算的难题：怕干扰。
直接的四体相互作用遍布甜甜圈表面阵列中
所有邻近的原子间
画面中的空隙处也应该填满麻将桌，
但该画面未能表现
在拓扑量子计算中，Kitaev还提出，当4个粒子产生四体相互作用时，它们的整体运动状态就可以描述成一种新型的虚拟粒子。这种虚拟粒子就像海浪一样，是多个粒子一起协同运动时的整体效果。它看起来像一个粒子，但又不是真实存在的粒子，所以，物理学家管它叫
准粒子
。
每个粒子都在原地运动
其整体效果像是掀起了向前传播的海浪
所以，海浪可以比作一种“准粒子”
而且，这种准粒子可不是一般的准粒子，它们还
有一种不正常的统计特性
。为了搞清楚什么叫不正常，让我们先看一下什么叫正常：如果一个正常的粒子，绕着另一个正常的粒子转一圈，整个系统不会发生任何变化。
但同样的事情遇上这种
不正常的准粒子
，就变得
麻烦N倍
：一个不正常的粒子，必须绕着另外一个不正常的粒子转N圈，整个系统才会回到最初的模样。
这个道理很好理解，一个粒子转1圈，
就等于“半个粒子”转2圈，
也等于“N分之一个粒子”转N圈。
这就好比把一个正常的粒子的
统计特性平均分成了N份
，不正常的粒子转N圈，才相当于正常的粒子转一圈。
实际上，这个N既可以等于2，3，4，5等整数，也可以等于-1.42857，3.1415926，6.02×10²³等
任意实数
。所以，这样的粒子叫作
任意子
。
在Kitaev模型提出20年后，中国物理学家终于在这次的超冷铷原子实验中，第一次观察到了他预言的
任意子的统计现象
（这次实验中的N=2），给出了这种准粒子统计特性的最直接的实验证明，为研究这种准粒子的拓扑性质提供了新的实验平台和手段。
这次实验的论文发表在了《自然•物理学》杂志上。
Kitaev理论还有很多有待实现的设想。比如，在他的甜甜圈模型里，
任意子可以用来进行“量子纠错”
。也就是说，就算拓扑量子计算机算到一半儿出错了，也没有关系，最后我们还能纠正过来。于是，物理学家还需要进一步完善实验方案，才能在将来完整地实现的全部设想（
详情见结尾的注释
），最终让拓扑量子计算变成现实。
美指：牛猫
绘制：赏鉴
排版：胡豆
致谢：戴汉宁，苑震生
陈宇翱，蒋一凡
本文已发表于墨子沙龙
本账号系网易新闻·网易号“各有态度”签约账号
本页刊发内容未经书面许可禁止转载及使用，
自媒体、报刊等转载请联系本账号授权，
欢迎转发至朋友圈！
还有更多有趣的文章，确定不看一下吗？
