In recente jaren, natuurkundigen over de hele wereld hebben onderzoek gedaan naar de kenmerken en dynamiek van topologische fasen van materie die de ontwikkeling van kwantumapparaten en andere nieuwe technologieën mogelijk zouden kunnen maken. Sommige van deze fasen worden ondersteund door wat bekend staat als de tijdomkeersymmetrie (TRS) van microscopische natuurwetten.

Onderzoekers van de Universiteit van Cambridge hebben onlangs aangetoond dat sommige topologische fasen die worden beschermd door TRS fundamenteel onstabiel zijn tegen koppeling met hun omgeving. Hun bevindingen, geschetst in een paper gepubliceerd in Natuurfysica , wijzen op een aantal uitdagingen die kunnen worden geassocieerd met het gebruik van topologische systemen voor de ontwikkeling van kwantumtechnologieën.

"We zijn geïnteresseerd in bepaalde fasen van materie die bekend staan ​​als topologische fasen, die de laatste tijd veel aandacht hebben getrokken vanwege hun voorgestelde toepassingen in op kwantum gebaseerde technologieën, "Max McGinley, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Vooral, van sommige topologische fasen wordt gedacht dat ze kwantuminformatie kunnen opslaan op een manier die van nature robuust is voor alle onvolkomenheden die onvermijdelijk optreden in experimenten, waardoor ze potentieel nuttig zijn voor kwantumberekening."

De meeste bestaande theoretische argumenten die de robuustheid van topologische fasen voor experimentele ruis rechtvaardigen, houden geen rekening met het feit dat in echte implementaties, deze systemen kunnen op onverwachte manieren met hun omgeving interageren. Met dit in gedachten, McGinley en zijn collega Nigel R. Cooper wilden onderzoeken of topologische systemen nog steeds goed presteerden wanneer ze worden gebruikt om kwantumgeheugenapparaten te ontwikkelen en in de aanwezigheid van externe 'omgevingseffecten'. Hun eerste bevindingen wijzen op een algemeen principe dat van toepassing zou kunnen zijn op alle topologische fasen, in plaats van specifiek voor degenen die de opslag van kwantuminformatie mogelijk maken.

"We hebben aangetoond dat er een bepaalde klasse van topologische fasen is (bekend als door tijdomkering door symmetrie beschermde topologische fasen) die onstabiel worden wanneer ze in wisselwerking staan ​​met de omgeving om hen heen en dus niet kunnen worden gebruikt in de echte wereld, McGinley zei. "Veel van onze analyses waren gebaseerd op de effecten van symmetrieën in de kwantummechanica, die centraal staan ​​in de theorie van topologische fasen."

Symmetrieën beperken van nature de processen die wel of niet kunnen plaatsvinden in fysieke systemen. In topologische systemen, bijvoorbeeld, een bepaalde symmetrie kan voorkomen dat kwantuminformatie verloren gaat.

De meer conventionele soorten symmetrieën die in de natuur voorkomen, zijn die welke verband houden met ruimtelijke coördinaten. Bijvoorbeeld, een vierkant heeft een symmetrie onder een rotatie van 90 graden om zijn middelpunt. TRS is een subtielere vorm van symmetrie die ontstaat binnen de fysieke beschrijving van een dynamisch systeem. Eigenlijk, TRS betekent dat in een fysiek systeem, de wetten van de fysica zien er hetzelfde uit als de tijd vooruit en achteruit loopt.

"Vreemd, deze symmetrie wordt niet weerspiegeld in de grote objecten die we in ons dagelijks leven tegenkomen (d.w.z. systemen die uit zeer veel microscopisch kleine deeltjes bestaan), " legde McGinley uit. "Bijvoorbeeld, een warme kop koffie zal na verloop van tijd afkoelen, maar een koude kop koffie wordt niet spontaan warm. We realiseerden ons dat deze ongelijkheid tussen de symmetrieën van de fundamentele wetten van de natuur en de symmetrieën van complexe veeldeeltjessystemen (zoals je kopje koffie) ook opduikt in topologische systemen. De topologische fasen die afhankelijk zijn van tijdomkeringssymmetrie zijn degenen die om precies dezelfde redenen onstabiel zijn."

De studie benadrukt de mogelijke beperkingen van het gebruik van door TRS beschermde topologische systemen om kwantumtechnologieën te ontwikkelen. Specifieker, de onderzoekers merkten op dat sommige topologische fasen veel minder bestand zijn tegen omgevingsgeluid dan wat bestaande theorieën voorspellen.

"Een pessimist ziet dit misschien als slecht nieuws voor het veld, "Zei McGinley. "Echter, onze mening is dat onze resultaten degenen kunnen helpen die topologische systemen in de praktijk brengen. Na te hebben vastgesteld welke topologische fasen onstabiel zijn, toekomstige aandacht kan worden gericht op degenen die kunnen, in principe, worden afgeschermd van deze nadelige milieueffecten."

Het nieuwe principe is van toepassing op alle topologische fasen, maar de onderzoekers hebben het tot nu toe vooral onderzocht in de context van kwantumgeheugens of andere kwantumtechnologie. In hun volgende studies, ze zijn van plan om hetzelfde principe te testen en te bestuderen in relatie tot andere toepassingen.

"Bijvoorbeeld, van sommige topologische fasen wordt verwacht dat ze interessante elektrische geleidingseigenschappen hebben, maar experimenten tonen niet dezelfde robuustheid als men zou verwachten op basis van de huidige theorieën, "Zei McGinley. "Misschien kunnen de ideeën die we hier hebben ontdekt, worden gebruikt om sommige aspecten van deze experimenten te verklaren."

© 2020 Wetenschap X Netwerk