Gli stati topologici della materia sono fasi della materia che vanno oltre la teoria della rottura della simmetria di Landau, che sono caratterizzati da invarianti topologici e stati limite topologici. Il fisico David J. Thouless, in collaborazione con F. Duncan, M. Haldane e J. Michael Kosterlitz, svelato questi stati unici della materia, vincendo il Premio Nobel per la Fisica nel 2016.

Dalla loro scoperta, gli stati topologici della materia sono diventati oggetto di un numero crescente di studi. I ricercatori di vari campi sono ora attivamente alla ricerca di questi stati, poiché osservarli potrebbe sia ampliare la nostra attuale comprensione degli stati insoliti della materia sia aiutare la realizzazione del calcolo quantistico topologico.

In un recente studio, un team di ricercatori della Tsinghua University, La Shanxi University e la South China Normal University sono state in grado di osservare gli stati topologici dell'isolante magnon in un circuito superconduttore. La loro carta, pubblicato in Lettere di revisione fisica , è il primo a mostrare come una catena di qubit può essere sintonizzata in modo flessibile in stati di isolante magnon topologicamente banali o non banali.

"Il concetto di stati topologici deriva originariamente dai sistemi elettronici a stato solido, "Feng Mei, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Ora è stato esteso a diversi sistemi bosonici artificiali, compresi atomi ultrafreddi intrappolati in reticoli ottici, reticoli fotonici e fononici artificiali."

Negli ultimi anni, i ricercatori hanno compiuto progressi sostanziali nel raggiungimento del calcolo quantistico scalabile utilizzando circuiti superconduttori. Ad esempio, Sia IBM che Google hanno affermato di aver progettato con successo reticoli di qubit con 50 e 72 qubit, rispettivamente. Ispirato da queste scoperte, Mei e i suoi colleghi hanno iniziato a chiedersi se potevano realizzare uno stato topologico in una catena di qubit, ottenere una "protezione topologica" per i qubit.

"Nel nostro lavoro, per la prima volta, dimostriamo che le catene di qubit superconduttive possono supportare stati di isolamento magnon topologici e avere protezione topologica, " Mei ha detto. "Il nostro lavoro mostra che la piattaforma di calcolo quantistico superconduttore può essere utilizzata anche per realizzare stati topologici della materia. Inoltre, apre opportunità per implementare l'elaborazione delle informazioni quantistiche topologicamente protetta."

Nella fisica della materia condensata, I magnoni sono eccitazioni collettive della catena di spin degli elettroni in un reticolo cristallino. Un isolante topologico Magnon, d'altra parte, è un nuovo stato topologico associato ai magnon, che è caratterizzato dall'invariante topologico.

Il sistema studiato da Mei e dai suoi colleghi ha un numero di avvolgimento topologico associato a sistemi unidimensionali. In altre parole, quando il suo numero di avvolgimento topologico è qualcosa di diverso da zero, il sistema è nei suoi stati di isolamento topologico.

"Secondo la corrispondenza bulk-edge, il numero di avvolgimento topologico diverso da zero garantisce l'esistenza di stati di bordo topologici, "Luyan Sole, un altro ricercatore coinvolto nello studio, ha detto a Phys.org. "Così, il numero di avvolgimenti topologici e lo stato del bordo topologico sono i due segni distintivi seminali degli isolanti topologici. Però, non sono stati osservati contemporaneamente in nessun sistema topologico prima d'ora."

Nel loro studio, Mei e Sun hanno usato una catena di qubit, ciascuno di questi qubit è un circuito superconduttore. Come hanno dimostrato in uno studio precedente, l'accoppiamento effettivo tra qubit vicini può essere sintonizzato modulando parametricamente le frequenze dei qubit.

"La forza di accoppiamento effettiva caratterizza il tasso di scambio di energia tra qubit vicini, " ha detto Sun. "Può essere regolato per essere arbitrariamente inferiore alla forza di accoppiamento statico che è determinata dalla geometria del dispositivo. Nel nostro dispositivo, tutti i qubit sono sintonizzabili in frequenza e possono essere controllati da singole linee di polarizzazione del flusso esterno."

La loro configurazione e procedura ha permesso ai ricercatori di sintonizzare semplicemente la catena di qubit in stati topologici e non topologici (cioè attivando o disattivando questi stati) modificando le configurazioni di accoppiamento dei qubit. Nel loro esperimento, hanno semplicemente eccitato uno dei qubit (cioè un magnon) e poi hanno monitorato le sue dinamiche all'interno della catena di qubit. Le osservazioni raccolte hanno permesso loro di sondare sia il numero di avvolgimenti topologici del sistema che i suoi stati dei bordi topologici.

"Consideriamo solo l'eccitazione a qubit singolo e realizziamo gli stati topologici non interagenti, " disse Mei. "Se consideriamo di inserire più eccitazioni qubit nella catena qubit, In questo sistema possono essere realizzati ed esplorati anche stati topologici interagenti protetti dalla simmetria. I nostri risultati implicano che una catena di qubit superconduttori può essere utilizzata come piattaforma versatile per esplorare diversi stati topologici della materia protetti dalla simmetria non interagenti e interagenti".

Il recente studio condotto da Mei, Sun e i loro colleghi dimostrano che gli stati topologici della materia possono anche emergere in una catena di qubit superconduttori. Inoltre, fornisce preziose informazioni sulla realizzazione della protezione topologica per i qubit in una catena. Ciò potrebbe promuovere lo sviluppo di tecniche di elaborazione delle informazioni quantistiche topologicamente protette.

Nel loro lavoro futuro, i ricercatori progettano di realizzare stati topologici interagenti protetti dalla simmetria della materia. Inoltre, sperano di scoprire modi per implementare attività di elaborazione delle informazioni quantistiche topologicamente protette utilizzando catene di qubit superconduttive.

"Gli stati topologici interagenti protetti dalla simmetria sono importanti stati topologici interagenti della materia e la loro realizzazione attualmente è ancora una grande sfida, " Ha detto Mei. "Le catene di qubit superconduttive con più eccitazioni di qubit forniscono una piattaforma naturale per realizzare tali stati. Con la protezione topologica fornita dagli stati topologici, continueremo a studiare come realizzare compiti di elaborazione delle informazioni quantistiche topologicamente protetti, come il trasferimento di stato quantistico topologicamente protetto".

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