Ny protokol identificerer fascinerende kvantetilstande

Topologiske materialer tiltrækker stor interesse og kan danne grundlag for en ny æra inden for materialeudvikling. I Videnskabens fremskridt , fysikere omkring Andreas Elben, Jinlong Yu, Peter Zoller og Benoit Vermersch præsenterer nu en ny målemetode til at identificere og karakterisere såkaldte topologiske invarianter på forskellige eksperimentelle platforme.

I dag, moderne kvantesimulatorer tilbyder en bred vifte af muligheder for at forberede og undersøge komplekse kvantetilstande. De er realiseret med ultrakolde atomer i optiske gitter, Rydberg atomer, indfangede ioner eller superledende kvantebits. En særlig fascinerende klasse af kvantetilstande er topologiske tilstande af stof. David Thouless, Duncan Haldane og Michael Kosterlitz blev tildelt Nobelprisen i fysik i 2016 for deres teoretiske opdagelse. Disse stoftilstande er karakteriseret ved ikke-lokale kvantekorrelationer og er særligt robuste over for lokale forvrængninger, der uundgåeligt forekommer i eksperimenter.

Benoît Vermersch, Jinlong Yu og Andreas Elben fra Center for Kvantefysik ved Universitetet i Innsbruck og Institut for Kvanteoptik og Kvanteinformation ved det østrigske videnskabsakademi skriver, "At identificere og karakterisere sådanne topologiske faser i eksperimenter er en stor udfordring. Topologiske faser kan ikke identificeres ved lokale målinger på grund af deres særlige egenskaber. Vi er derfor ved at udvikle nye måleprotokoller, som vil gøre det muligt for eksperimentelle fysikere at karakterisere disse tilstande i laboratoriet."

I de seneste år, dette er allerede opnået for ikke-interagerende systemer. Imidlertid, til interagerende systemer, som i fremtiden også kan bruges som topologiske kvantecomputere, dette har hidtil ikke været muligt.

Med tilfældige målinger til et sikkert resultat

I Videnskabens fremskridt , fysikerne fra Peter Zollers forskningsgruppe foreslår nu måleprotokoller, der muliggør måling af såkaldte topologiske invarianter. Disse matematiske udtryk beskriver fælles egenskaber ved topologiske rum og gør det muligt fuldt ud at identificere interagerende topologiske tilstande med global symmetri i en-dimensional, bosoniske systemer.

"Idéen med vores metode er først at forberede en sådan topologisk tilstand i en kvantesimulator. Nu udføres såkaldte tilfældige målinger, og topologiske invarianter udvindes fra statistiske korrelationer af disse tilfældige målinger, " forklarer Andreas Elben.

Det specifikke træk ved denne metode er, at selvom de topologiske invarianter er meget komplekse, ikke-lokale korrelationsfunktioner, de kan stadig udvindes fra statistiske korrelationer af simple, lokale tilfældige målinger. Som med en metode for nylig præsenteret af forskergruppen til at sammenligne kvantetilstande i computere eller simulatorer, sådanne tilfældige målinger er mulige i eksperimenter i dag.

"Vores protokoller til måling af de topologiske invarianter kan derfor anvendes direkte i de eksisterende eksperimentelle platforme, " siger Benoît Vermersch.