Observation af topologiske magnon-isolatortilstande i et superledende kredsløb

Topologiske tilstande af stof er faser af stof, der går ud over Landau symmetri-brydende teori, som er karakteriseret ved topologiske invarianter og topologiske kanttilstande. Fysiker David J. Thouless, i samarbejde med F. Duncan, M. Haldane og J. Michael Kosterlitz, afslørede disse unikke tilstande af stof, vandt Nobelprisen i fysik i 2016.

Siden deres opdagelse, topologiske tilstande af stof er blevet fokus for et stigende antal undersøgelser. Forskere fra en række forskellige felter søger nu aktivt efter disse tilstande, da observation af dem både kunne udvide vores nuværende forståelse af usædvanlige stoftilstande og hjælpe med realiseringen af ​​topologisk kvanteberegning.

I en nylig undersøgelse, et team af forskere ved Tsinghua University, Shanxi University og South China Normal University var i stand til at observere topologiske magnon-isolatortilstande i et superledende kredsløb. Deres papir, udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , er den første til at vise, hvordan en qubit-kæde fleksibelt kan indstilles til topologisk trivielle eller ikke-trivielle magnon-isolatortilstande.

"Begrebet topologiske tilstande kommer oprindeligt fra elektroniske faststofsystemer, "Feng Mei, en af ​​de forskere, der har udført undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Det er nu blevet udvidet til forskellige kunstige bosoniske systemer, inklusive ultrakolde atomer fanget i optiske gitter, kunstige fotoniske og foniske gittere."

I løbet af de sidste par år, forskere har gjort betydelige fremskridt med at opnå skalerbar kvanteberegning ved hjælp af superledende kredsløb. For eksempel, IBM og Google hævdede begge at have konstrueret qubit-gitter med 50 og 72 qubits, henholdsvis. Inspireret af disse fund, Mei og hans kolleger begyndte at spekulere på, om de kunne realisere en topologisk tilstand i en qubit-kæde, opnåelse af en "topologisk beskyttelse" for qubits.

"I vores arbejde for første gang, vi demonstrerer, at superledende qubit-kæder kan understøtte topologiske magnon-isolatortilstande og har topologisk beskyttelse, " sagde Mei. "Vores arbejde viser, at superledende kvantecomputerplatform også kan bruges til at realisere topologiske tilstande af stof. Ud over, det åbner muligheder for at implementere topologisk beskyttet kvanteinformationsbehandling."

I det kondenserede stofs fysik, magnoner er kollektive excitationer af elektronernes spin-kæde i et krystalgitter. En topologisk magnon isolator, på den anden side, er en ny topologisk tilstand forbundet med magnoner, som er karakteriseret ved den topologiske invariant.

Systemet, der er undersøgt af Mei og hans kolleger, har et topologisk viklingsnummer forbundet med endimensionelle systemer. Med andre ord, når dens topologiske viklingstal er andet end nul, systemet er i dets topologiske isolatortilstande.

"Ifølge bulk-edge korrespondance, det topologiske viklingstal, der ikke er nul, garanterer eksistensen af ​​topologiske kanttilstande, "Luyan Sun, en anden forsker involveret i undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Dermed, topologisk viklingsnummer og topologisk kanttilstand er de to sædvanlige kendetegn ved topologiske isolatorer. Imidlertid, de er ikke blevet observeret samtidigt i nogen topologiske systemer før."

I deres undersøgelse, Mei og Sun brugte en kæde af qubits, hver af disse qubits er et superledende kredsløb. Som de viste i en tidligere undersøgelse, den effektive kobling mellem nabo-qubits kan tunes ved parametrisk at modulere qubits' frekvenser.

"Den effektive koblingsstyrke karakteriserer energiudvekslingshastigheden mellem tilstødende qubits, " sagde Sun. "Den kan indstilles til at være vilkårligt mindre end den statiske koblingsstyrke, der bestemmes af enhedens geometri. I vores enhed, alle qubits er frekvens-tunerbare og kan styres af individuelle eksterne flux bias-linjer."

Deres opsætning og procedure gjorde det muligt for forskerne blot at tune qubit-kæden til topologiske og ikke-topologiske tilstande (dvs. at slå disse tilstande til eller fra) ved at ændre qubit-koblingskonfigurationerne. I deres eksperiment, de exciterede simpelthen en af ​​qubits (dvs. en magnon) og overvågede derefter dens dynamik inden for qubit-kæden. De observationer, de indsamlede, tillod dem at undersøge både systemets topologiske viklingsnummer og dets topologiske kanttilstande.

"Vi overvejer kun single-qubit excitation og realiserer de ikke-interagerende topologiske tilstande, " sagde Mei. "Hvis vi overvejer at sætte flere qubit-excitationer ind i qubit-kæden, interagerende symmetribeskyttede topologiske tilstande kan også realiseres og udforskes i dette system. Vores resultater antyder, at en superledende qubit-kæde kan bruges som en alsidig platform til at udforske forskellige ikke-interagerende og interagerende symmetribeskyttede topologiske tilstande af stof."

Den nylige undersøgelse udført af Mei, Sun og deres kolleger viser, at topologiske tilstande af stof også kan opstå i en superledende qubit-kæde. Ud over, det giver værdifuld indsigt om realiseringen af ​​topologisk beskyttelse for qubits i en kæde. Dette kunne fremme udviklingen af ​​topologisk beskyttede kvanteinformationsbehandlingsteknikker.

I deres fremtidige arbejde, forskerne planlægger at realisere symmetribeskyttede interagerende topologiske tilstande af stof. Ud over, de håber at afdække måder at implementere topologisk beskyttede kvanteinformationsbehandlingsopgaver ved hjælp af superledende qubit-kæder.

"Symmetribeskyttede interagerende topologiske tilstande er vigtige interagerende topologiske tilstande af stof, og deres realisering er i øjeblikket stadig en stor udfordring, " sagde Mei. "Superledende qubit-kæder med flere qubit-excitationer giver en naturlig platform til at realisere sådanne tilstande. Med den topologiske beskyttelse, som de topologiske tilstande giver, vi vil fortsætte med at studere, hvordan man kan realisere topologisk beskyttede kvanteinformationsbehandlingsopgaver, såsom topologisk beskyttet kvantetilstandsoverførsel."

© 2019 Science X Network