I materiali topologici suscitano grande interesse e possono fornire la base per una nuova era nello sviluppo dei materiali. In Progressi scientifici , fisici intorno ad Andreas Elben, Jinlong Yu, Peter Zoller e Benoit Vermersch presentano ora un nuovo metodo di misurazione per identificare e caratterizzare i cosiddetti invarianti topologici su varie piattaforme sperimentali.

Oggi, i moderni simulatori quantistici offrono un'ampia gamma di possibilità per preparare e studiare stati quantistici complessi. Sono realizzati con atomi ultrafreddi in reticoli ottici, atomi di Rydberg, ioni intrappolati o bit quantici superconduttori. Una classe di stati quantistici particolarmente affascinante sono gli stati topologici della materia. David Thouless, Duncan Haldane e Michael Kosterlitz hanno ricevuto il Premio Nobel per la Fisica nel 2016 per la loro scoperta teorica. Questi stati della materia sono caratterizzati da correlazioni quantistiche non locali e sono particolarmente robusti contro le distorsioni locali che inevitabilmente si verificano negli esperimenti.

Benoît Vermersch, Jinlong Yu e Andreas Elben del Centro di fisica quantistica dell'Università di Innsbruck e dell'Istituto per l'ottica quantistica e l'informazione quantistica dell'Accademia austriaca delle scienze scrivono, "Identificare e caratterizzare tali fasi topologiche negli esperimenti è una grande sfida. Le fasi topologiche non possono essere identificate dalle misurazioni locali a causa delle loro proprietà speciali. Stiamo quindi sviluppando nuovi protocolli di misurazione che consentiranno ai fisici sperimentali di caratterizzare questi stati in laboratorio".

Negli ultimi anni, questo è già stato ottenuto per i sistemi non interagenti. Però, per sistemi interagenti, che in futuro potrebbero essere utilizzati anche come computer quantistici topologici, questo non è stato possibile finora.

Con misurazioni casuali per un risultato definito

In Progressi scientifici , i fisici del gruppo di ricerca di Peter Zoller propongono ora protocolli di misurazione che consentono la misurazione dei cosiddetti invarianti topologici. Queste espressioni matematiche descrivono proprietà comuni degli spazi topologici e consentono di identificare completamente gli stati topologici interagenti con simmetria globale in unidimensionale, sistemi bosonici.

"L'idea del nostro metodo è di preparare prima un tale stato topologico in un simulatore quantistico. Ora vengono eseguite le cosiddette misurazioni casuali, e gli invarianti topologici sono estratti dalle correlazioni statistiche di queste misurazioni casuali, " spiega Andreas Elben.

La caratteristica specifica di questo metodo è che sebbene gli invarianti topologici siano molto complessi, funzioni di correlazione non locali, possono ancora essere estratti da correlazioni statistiche di semplici, misurazioni casuali locali. Come con un metodo presentato di recente dal gruppo di ricerca per confrontare gli stati quantistici in computer o simulatori, tali misurazioni casuali sono possibili negli esperimenti di oggi.

"I nostri protocolli per la misura degli invarianti topologici possono quindi essere applicati direttamente nelle piattaforme sperimentali esistenti, " dice Benoît Vermersch.