Negli ultimi anni, i fisici di tutto il mondo hanno condotto studi che esplorano le caratteristiche e le dinamiche delle fasi topologiche della materia che potrebbero consentire lo sviluppo di dispositivi quantistici e altre nuove tecnologie. Alcune di queste fasi sono supportate dalla cosiddetta simmetria di inversione temporale (TRS) delle leggi microscopiche della natura.

I ricercatori dell'Università di Cambridge hanno recentemente dimostrato che alcune fasi topologiche protette da TRS sono fondamentalmente instabili contro l'accoppiamento con l'ambiente circostante. Le loro scoperte, delineato in un articolo pubblicato su Fisica della natura , evidenziare una serie di sfide che potrebbero essere associate all'uso di sistemi topologici per lo sviluppo di tecnologie quantistiche.

"Ci siamo interessati ad alcune fasi della materia note come fasi topologiche, che hanno recentemente attirato molta attenzione a causa delle loro applicazioni proposte nelle tecnologie quantistiche, " Max McGinley, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "In particolare, si pensa che alcune fasi topologiche siano in grado di immagazzinare informazioni quantistiche in un modo che sia naturalmente robusto a qualsiasi imperfezione che inevitabilmente si presenti negli esperimenti, rendendoli potenzialmente utili per il calcolo quantistico".

La maggior parte degli argomenti teorici esistenti che giustificano la robustezza delle fasi topologiche al rumore sperimentale non considerano il fatto che nelle implementazioni reali, questi sistemi possono interagire con l'ambiente circostante in modi inaspettati. Con questo in testa, McGinley e il suo collega Nigel R. Cooper hanno deciso di indagare se i sistemi topologici funzionano ancora bene quando vengono utilizzati per sviluppare dispositivi di memoria quantistica e in presenza di effetti "ambientali" esterni. I loro risultati iniziali indicano un principio generale che potrebbe applicarsi a tutte le fasi topologiche, piuttosto che specificamente a quelli che consentono l'archiviazione di informazioni quantistiche.

"Abbiamo dimostrato che esiste una certa classe di fasi topologiche (note come fasi topologiche protette dalla simmetria di inversione temporale) che diventano instabili quando interagiscono con l'ambiente circostante e quindi non possono essere utilizzate nel mondo reale, "Ha detto McGinley. "Gran parte della nostra analisi si è basata sugli effetti delle simmetrie nella meccanica quantistica, che sono centrali per la teoria delle fasi topologiche."

Le simmetrie limitano naturalmente i processi che possono o non possono verificarsi nei sistemi fisici. Nei sistemi topologici, ad esempio, una particolare simmetria può impedire la perdita di informazioni quantistiche.

I tipi più convenzionali di simmetrie esistenti in natura sono quelli relativi alle coordinate spaziali. Per esempio, un quadrato ha una simmetria sotto una rotazione di 90 gradi attorno al suo centro. TRS è un tipo più sottile di simmetria che sorge all'interno della descrizione fisica di un sistema dinamico. Essenzialmente, TRS significa che in un sistema fisico, le leggi della fisica sembrano le stesse quando il tempo scorre avanti e indietro.

"Stranamente, questa simmetria non si riflette nei grandi oggetti che incontriamo nella nostra vita quotidiana (cioè, sistemi costituiti da moltissime particelle microscopiche), " ha spiegato McGinley. "Per esempio, una tazza di caffè caldo si raffredderà nel tempo, ma una tazza di caffè freddo non si surriscalda spontaneamente. Ci siamo resi conto che questa disparità tra le simmetrie delle leggi fondamentali della natura e le simmetrie di sistemi complessi a molte particelle (come la tua tazza di caffè) si manifesta anche nei sistemi topologici. Le fasi topologiche che si basano sulla simmetria di inversione temporale sono quelle instabili per le stesse identiche ragioni".

Lo studio evidenzia i possibili limiti dell'utilizzo di sistemi topologici protetti da TRS per sviluppare tecnologie quantistiche. Più specificamente, i ricercatori hanno osservato che alcune fasi topologiche sono molto meno resistenti al rumore ambientale rispetto a quanto previsto dalle teorie esistenti.

"Un pessimista potrebbe vedere questa come una cattiva notizia per il campo, " ha detto McGinley. "Tuttavia, la nostra opinione è che i nostri risultati possano aiutare coloro che lavorano per mettere in pratica i sistemi topologici. Dopo aver individuato quali fasi topologiche sono instabili, l'attenzione futura può essere focalizzata su coloro che possono, in linea di principio, essere al riparo da questi effetti ambientali negativi".

Il nuovo principio si applica a tutte le fasi topologiche, ma i ricercatori finora lo hanno studiato principalmente nel contesto delle memorie quantistiche o di altre tecnologie quantistiche. Nei loro studi successivi, hanno in programma di testare e studiare lo stesso principio in relazione ad altre applicazioni.

"Per esempio, alcune fasi topologiche dovrebbero avere interessanti proprietà di conduttanza elettrica, ma gli esperimenti non mostrano la stessa robustezza che ci si aspetterebbe sulla base delle teorie attuali, "Ha detto McGinley. "Forse le idee che abbiamo scoperto qui potrebbero essere usate per spiegare alcuni aspetti di questi esperimenti".

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