En teoretisk model vil tillade systematisk undersøgelse af en lovende klasse af særegne kvantetilstande

Forskning i de skrøbelige tilstande af stof, der kunne give trækkraft til de mange løfter om kvanteberegning, har fået et løft af et omfattende sæt teoretiske værktøjer udviklet af A*STAR -forskere.

Lang teoretiseret, men notorisk svært at opnå i praksis, kvantecomputere er afhængige af en mekanisme i kvantefysikken, hvormed et objekt samtidigt kan eksistere i en fuzzy superposition af flere tilstande. Denne og andre komplementære kvanteprocesser kunne teoretisk set bruges til at udføre komplekse operationer mange gange hurtigere end i klassiske computere. På trods af betydelig forskning og investeringer kvantecomputere er stadig uudviklede, med kun en håndfuld rudimentære computerplatforme demonstreret eksperimentelt. En af hovedårsagerne til den manglende fremgang er skrøbeligheden i de kvantetilstande, der understøtter mekanismer som superposition.

Elektroner og lys, de typiske 'informationsbærere' for kvanteberegningssystemer begge har kvanteegenskaber, der kan udnyttes, men tricket er at skabe et fysisk materielt system, der giver de nødvendige interaktioner for at få kvantefænomenerne til at fremstå. Dette tager forskere ind i ukendt fysikområde.

Bo Yang og Ching Hua Lee fra A*STAR Institute of High Performance Computing, i samarbejde med forskere fra Kina og Storbritannien, har nu udviklet en generel teoretisk ramme for en lovende klasse af kvantematerialesystemer, der vil give et universelt sprog for forskere på dette banebrydende område.

"Vores ramme beskriver en klasse af eksotiske faser af stof, der består af et meget tyndt lag af elektroner, der er udsat for et stærkt vinkelret magnetfelt, "forklarer Yang." I modsætning til konventionelle faser af stof, såsom væsker eller faste stoffer, disse faser er defineret af specifikke mønstre af elektroner, der 'danser' rundt om hinanden. "

Forskellige 'dansemønstre' producerer forskellige todimensionelle tilstande, eller 'topologisk orden', på samme måde som nålestikker i et stykke papir producerer forskellige mønstre. Og selvom kvantemekaniske egenskaber generelt er meget skrøbelige, dem, der manifesteres gennem topologisk orden, er meget robuste og kunne teoretisk set bruges til praktiske applikationer såsom topologiske kvantecomputere.

Ved at analysere algebraiske strukturer i forskellige simple modeller og validere deres resultater mod numeriske beregninger i stor skala, Yang og hans team udviklede en model, der tillader fysikere at studere disse topologiske tilstande over en lang række forhold, herunder tilstande, der er almindelige i virkelige materialer.

"Vores arbejde kan hjælpe både teoretikere og eksperimentelle med at forstå og realisere meget interessante nye faser af sagen, "siger Yang.