Topologische materialen trekken veel belangstelling en kunnen de basis vormen voor een nieuw tijdperk in materiaalontwikkeling. In wetenschappelijke vooruitgang , natuurkundigen rond Andreas Elben, Jinlong Yu, Peter Zoller en Benoit Vermersch presenteren nu een nieuwe meetmethode voor het identificeren en karakteriseren van zogenaamde topologische invarianten op verschillende experimentele platforms.

Vandaag, moderne kwantumsimulators bieden een breed scala aan mogelijkheden om complexe kwantumtoestanden voor te bereiden en te onderzoeken. Ze worden gerealiseerd met ultrakoude atomen in optische roosters, Rydberg-atomen, ingesloten ionen of supergeleidende kwantumbits. Een bijzonder fascinerende klasse van kwantumtoestanden zijn topologische toestanden van materie. David Thouless, Duncan Haldane en Michael Kosterlitz kregen in 2016 de Nobelprijs voor de Natuurkunde voor hun theoretische ontdekking. Deze toestanden van materie worden gekenmerkt door niet-lokale kwantumcorrelaties en zijn bijzonder robuust tegen lokale vervormingen die onvermijdelijk optreden in experimenten.

Benoit Vermersch, Jinlong Yu en Andreas Elben van het Centrum voor Kwantumfysica aan de Universiteit van Innsbruck en het Instituut voor Kwantumoptica en Kwantuminformatie van de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen schrijven:"Het identificeren en karakteriseren van dergelijke topologische fasen in experimenten is een grote uitdaging. Topologische fasen kunnen vanwege hun speciale eigenschappen niet worden geïdentificeerd door lokale metingen. Daarom ontwikkelen we nieuwe meetprotocollen waarmee experimentele fysici deze toestanden in het laboratorium kunnen karakteriseren."

In recente jaren, dit is al bereikt voor niet-interagerende systemen. Echter, voor interagerende systemen, die in de toekomst ook kunnen worden gebruikt als topologische kwantumcomputers, dit is tot nu toe niet mogelijk geweest.

Met willekeurige metingen naar een definitief resultaat

In wetenschappelijke vooruitgang , de natuurkundigen van de onderzoeksgroep van Peter Zoller stellen nu meetprotocollen voor waarmee zogenaamde topologische invarianten kunnen worden gemeten. Deze wiskundige uitdrukkingen beschrijven gemeenschappelijke eigenschappen van topologische ruimten en maken het mogelijk om interagerende topologische toestanden volledig te identificeren met globale symmetrie in eendimensionale, bosonische systemen.

"Het idee van onze methode is om eerst zo'n topologische toestand voor te bereiden in een kwantumsimulator. Nu worden zogenaamde willekeurige metingen uitgevoerd, en topologische invarianten worden geëxtraheerd uit statistische correlaties van deze willekeurige metingen, ", legt Andreas Elben uit.

Het specifieke kenmerk van deze methode is dat hoewel de topologische invarianten zeer complex zijn, niet-lokale correlatiefuncties, ze kunnen nog steeds worden afgeleid uit statistische correlaties van eenvoudige, lokale willekeurige metingen. Net als bij een onlangs door de onderzoeksgroep gepresenteerde methode voor het vergelijken van kwantumtoestanden in computers of simulatoren, dergelijke willekeurige metingen zijn tegenwoordig mogelijk in experimenten.

"Onze protocollen voor het meten van de topologische invarianten kunnen daarom direct worden toegepast in de bestaande experimentele platforms, ", zegt Benoît Vermersch.