La ricerca sugli stati fragili della materia che potrebbe dare impulso alle molte promesse dell'informatica quantistica è stata potenziata da una serie completa di strumenti teorici sviluppati dai ricercatori di A*STAR.

A lungo teorizzato ma notoriamente difficile da realizzare in pratica, I computer quantistici si basano su un meccanismo della fisica quantistica mediante il quale un oggetto può esistere simultaneamente in una sovrapposizione sfocata di più stati. Questo e altri processi quantistici complementari potrebbero essere teoricamente utilizzati per eseguire operazioni complesse molte volte più velocemente rispetto ai computer classici. Eppure, nonostante la ricerca e gli investimenti significativi, i computer quantistici non sono ancora sviluppati, con solo una manciata di piattaforme di calcolo rudimentali dimostrate sperimentalmente. Una delle ragioni principali della mancanza di progresso è la fragilità degli stati quantistici che supportano meccanismi come la sovrapposizione.

Elettroni e luce, i tipici "vettori di informazioni" dei sistemi di calcolo quantistico, entrambi hanno proprietà quantistiche che potrebbero essere sfruttate, ma il trucco sta nel creare un sistema materiale fisico che fornisca le interazioni necessarie per far apparire i fenomeni quantistici. Questo porta i ricercatori in un territorio inesplorato della fisica.

Bo Yang e Ching Hua Lee dell'A*STAR Institute of High Performance Computing, in collaborazione con ricercatori cinesi e britannici, hanno ora sviluppato un quadro teorico generale per una promettente classe di sistemi di materiali quantistici che fornirà un linguaggio universale per i ricercatori in questo campo pionieristico.

"Il nostro quadro descrive una classe di fasi esotiche della materia costituita da un sottilissimo foglio di elettroni soggetto a un forte campo magnetico perpendicolare, " spiega Yang. "A differenza delle fasi convenzionali della materia come liquidi o solidi, queste fasi sono definite da modelli specifici di elettroni che "danzano" l'uno intorno all'altro".

Diversi "modelli di danza" producono diversi stati bidimensionali, o "ordine topologico", allo stesso modo in cui le punture di spillo in un pezzo di carta producono motivi diversi. E mentre le proprietà della meccanica quantistica sono generalmente molto fragili, quelli manifestati attraverso l'ordine topologico sono molto robusti e potrebbero teoricamente essere utilizzati per applicazioni pratiche come i computer quantistici topologici.

Analizzando le strutture algebriche di vari modelli semplici e convalidando i loro risultati contro calcoli numerici su larga scala, Yang e il suo team hanno sviluppato un modello che consente ai fisici di studiare questi stati topologici in un'ampia gamma di condizioni, compresi gli stati comuni nei materiali reali.

"Il nostro lavoro può aiutare sia i teorici che gli sperimentali a comprendere e realizzare nuove fasi della materia di grande interesse, "dice Yang.