Topologische toestanden van materie zijn fasen van materie die verder gaan dan de symmetrie-brekende theorie van Landau, die worden gekenmerkt door topologische invarianten en topologische randtoestanden. Natuurkundige David J. Thouless, in samenwerking met F. Duncan, M. Haldane en J. Michael Kosterlitz, onthulde deze unieke toestanden van materie, het winnen van de Nobelprijs voor Natuurkunde in 2016.

Sinds hun ontdekking, topologische toestanden van materie zijn de focus geworden van een groeiend aantal studies. Onderzoekers uit verschillende vakgebieden zijn nu actief op zoek naar deze staten, omdat het observeren ervan zowel ons huidige begrip van ongebruikelijke toestanden van materie zou kunnen verbreden als de realisatie van topologische kwantumberekening zou kunnen helpen.

In een recente studie, een team van onderzoekers van de Tsinghua University, Shanxi University en South China Normal University waren in staat om topologische magnon-isolatortoestanden te observeren in een supergeleidend circuit. hun papier, gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , is de eerste die laat zien hoe een qubit-keten flexibel kan worden afgestemd op topologisch triviale of niet-triviale magnon-isolatortoestanden.

"Het concept van topologische toestanden komt oorspronkelijk uit solid-state elektronische systemen, "Feng Mei, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Het is nu uitgebreid naar verschillende kunstmatige bosonische systemen, inclusief ultrakoude atomen gevangen in optische roosters, kunstmatige fotonische en fononische roosters."

De afgelopen jaren is onderzoekers hebben aanzienlijke vooruitgang geboekt bij het bereiken van schaalbare kwantumberekeningen met behulp van supergeleidende circuits. Bijvoorbeeld, IBM en Google beweerden allebei met succes qubit-roosters te hebben ontworpen met 50 en 72 qubits, respectievelijk. Geïnspireerd door deze bevindingen, Mei en zijn collega's begonnen zich af te vragen of ze een topologische toestand in een qubit-keten konden realiseren, het bereiken van een "topologische bescherming" voor de qubits.

"In ons werk Voor de eerste keer, we demonstreren dat supergeleidende qubit-ketens topologische magnon-isolatortoestanden kunnen ondersteunen en topologische bescherming hebben, " zei Mei. "Ons werk toont aan dat een supergeleidend kwantumcomputerplatform ook kan worden gebruikt voor het realiseren van topologische toestanden van materie. In aanvulling, het opent mogelijkheden voor het implementeren van topologisch beschermde kwantuminformatieverwerking."

In de fysica van de gecondenseerde materie, magnonen zijn collectieve excitaties van de spinketen van de elektronen in een kristalrooster. Een topologische magnon-isolator, anderzijds, is een nieuwe topologische toestand geassocieerd met magnons, die wordt gekenmerkt door de topologische invariant.

Het systeem dat door Mei en zijn collega's is onderzocht, heeft een topologisch windingsgetal dat is gekoppeld aan eendimensionale systemen. Met andere woorden, wanneer het topologische kronkelende nummer iets anders is dan nul, het systeem bevindt zich in zijn topologische isolatortoestanden.

"Volgens bulk-edge correspondentie, het topologische wikkelingsgetal dat niet nul is, garandeert het bestaan ​​van topologische randtoestanden, "Luyan zon, een andere onderzoeker die bij het onderzoek betrokken was, vertelde Phys.org. "Dus, topologisch wikkelingsnummer en topologische randtoestand zijn de twee belangrijkste kenmerken van topologische isolatoren. Echter, ze zijn niet eerder gelijktijdig waargenomen in topologische systemen."

In hun studie hebben Mei en Sun gebruikten een reeks qubits, elk van deze qubits is een supergeleidend circuit. Zoals ze in een eerdere studie hebben aangetoond, de effectieve koppeling tussen naburige qubits kan worden afgestemd door de frequenties van de qubits parametrisch te moduleren.

"De effectieve koppelingssterkte kenmerkt de energie-uitwisselingssnelheid tussen aangrenzende qubits, " zei Sun. "Het kan worden afgestemd om willekeurig kleiner te zijn dan de statische koppelingssterkte die wordt bepaald door de geometrie van het apparaat. Op ons apparaat, alle qubits zijn frequentie-afstembaar en kunnen worden bestuurd door individuele externe flux-biaslijnen."

Dankzij hun opzet en procedure konden de onderzoekers de qubit-keten eenvoudig afstemmen op topologische en niet-topologische toestanden (d.w.z. deze toestanden 'aan' of 'uit' zetten) door de qubit-koppelingsconfiguraties te wijzigen. In hun experiment hebben ze prikkelden eenvoudig een van de qubits (d.w.z. een magnon) en volgden vervolgens de dynamiek ervan binnen de qubit-keten. De observaties die ze verzamelden, stelden hen in staat om zowel het topologische kronkelende nummer van het systeem als de topologische randtoestanden te onderzoeken.

"We houden alleen rekening met excitatie met één qubit en realiseren de niet-interagerende topologische toestanden, "Zei Mei. "Als we overwegen om meerdere qubit-excitaties in de qubit-keten te plaatsen, door symmetrie beschermde topologische toestanden kunnen ook in dit systeem worden gerealiseerd en onderzocht. Onze bevindingen impliceren dat een supergeleidende qubit-keten kan worden gebruikt als een veelzijdig platform voor het verkennen van verschillende niet-interagerende en interagerende symmetrie-beschermde topologische toestanden van materie."

De recente studie van Mei, Sun en hun collega's laten zien dat topologische toestanden van materie ook kunnen ontstaan ​​in een supergeleidende qubit-keten. In aanvulling, het geeft waardevol inzicht in het realiseren van topologische bescherming voor qubits in een keten. Dit zou de ontwikkeling van topologisch beschermde kwantuminformatieverwerkingstechnieken kunnen bevorderen.

In hun toekomstige werk, de onderzoekers zijn van plan om door symmetrie beschermde, op elkaar inwerkende topologische toestanden van materie te realiseren. In aanvulling, ze hopen manieren te vinden om topologisch beschermde taken voor het verwerken van kwantuminformatie te implementeren met behulp van supergeleidende qubit-ketens.

"Door symmetrie beschermde, op elkaar inwerkende topologische toestanden zijn belangrijke op elkaar inwerkende topologische toestanden van materie en hun realisatie is momenteel nog steeds een grote uitdaging, "Zei Mei. "Supergeleidende qubit-ketens met meerdere qubit-excitaties bieden een natuurlijk platform voor het realiseren van dergelijke toestanden. Met de topologische bescherming die wordt geboden door de topologische toestanden, we zullen verder bestuderen hoe we topologisch beschermde taken voor het verwerken van kwantuminformatie kunnen realiseren, zoals topologisch beschermde overdracht van kwantumtoestanden."

© 2019 Wetenschap X Netwerk