Onderzoek naar de fragiele toestanden van materie die de vele beloften van kwantumcomputing zouden kunnen ondersteunen, heeft een boost gekregen door een uitgebreide reeks theoretische hulpmiddelen die zijn ontwikkeld door A * STAR-onderzoekers.

Lang getheoretiseerd maar notoir moeilijk te bereiken in de praktijk, kwantumcomputers vertrouwen op een mechanisme in de kwantumfysica waarmee een object tegelijkertijd kan bestaan ​​in een vage superpositie van meerdere toestanden. Deze en andere complementaire kwantumprocessen zouden theoretisch kunnen worden gebruikt om complexe bewerkingen vele malen sneller uit te voeren dan in klassieke computers. Maar ondanks aanzienlijk onderzoek en investeringen, kwantumcomputers zijn nog onontwikkeld, met slechts een handvol rudimentaire computerplatforms experimenteel aangetoond. Een van de belangrijkste redenen voor het gebrek aan vooruitgang is de kwetsbaarheid van de kwantumtoestanden die mechanismen zoals superpositie ondersteunen.

Elektronen en licht, de typische 'informatiedragers' van kwantumcomputersystemen, beide hebben kwantumeigenschappen die kunnen worden uitgebuit, maar de truc is om een ​​fysiek materieel systeem te creëren dat zorgt voor de interacties die nodig zijn om de kwantumverschijnselen te laten verschijnen. Dit brengt onderzoekers op onbekend terrein van de natuurkunde.

Bo Yang en Ching Hua Lee van het A*STAR Institute of High Performance Computing, in samenwerking met onderzoekers uit China en het VK, hebben nu een algemeen theoretisch raamwerk ontwikkeld voor een veelbelovende klasse van kwantummateriële systemen die onderzoekers in dit baanbrekende veld een universele taal zullen bieden.

"Ons raamwerk beschrijft een klasse van exotische fasen van materie bestaande uit een zeer dunne laag elektronen onderworpen aan een sterk loodrecht magnetisch veld, ", legt Yang uit. "In tegenstelling tot conventionele fasen van materie zoals vloeistoffen of vaste stoffen, deze fasen worden bepaald door specifieke patronen van elektronen die om elkaar heen 'dansen'."

Verschillende 'danspatronen' produceren verschillende tweedimensionale toestanden, of 'topologische volgorde', op dezelfde manier dat speldenprikken in een stuk papier verschillende patronen produceren. En hoewel kwantummechanische eigenschappen over het algemeen erg kwetsbaar zijn, die gemanifesteerd door topologische orde zijn zeer robuust en kunnen theoretisch worden gebruikt voor praktische toepassingen zoals topologische kwantumcomputers.

Door de algebraïsche structuren van verschillende eenvoudige modellen te analyseren en hun resultaten te valideren tegen grootschalige numerieke berekeningen, Yang en zijn team ontwikkelden een model waarmee natuurkundigen deze topologische toestanden onder een breed scala van omstandigheden kunnen bestuderen. inclusief toestanden die gebruikelijk zijn in echte materialen.

"Ons werk kan zowel theoretici als experimentatoren helpen om zeer interessante nieuwe fasen van materie te begrijpen en te realiseren, " zegt Yang.