La investigación sobre los estados frágiles de la materia que podrían impulsar las muchas promesas de la computación cuántica ha recibido un impulso gracias a un conjunto completo de herramientas teóricas desarrolladas por los investigadores de A * STAR.

Teorizado durante mucho tiempo pero notoriamente difícil de lograr en la práctica, Las computadoras cuánticas se basan en un mecanismo de la física cuántica mediante el cual un objeto puede existir simultáneamente en una superposición difusa de múltiples estados. Este y otros procesos cuánticos complementarios podrían teóricamente utilizarse para realizar operaciones complejas muchas veces más rápido que en las computadoras clásicas. Sin embargo, a pesar de una importante investigación e inversión, las computadoras cuánticas aún no están desarrolladas, con solo un puñado de plataformas informáticas rudimentarias demostradas experimentalmente. Una de las principales razones de la falta de progreso es la fragilidad de los estados cuánticos que soportan mecanismos como la superposición.

Electrones y luz los típicos 'portadores de información' de los sistemas de computación cuántica, ambos tienen propiedades cuánticas que podrían explotarse, pero el truco consiste en crear un sistema material físico que proporcione las interacciones necesarias para que aparezcan los fenómenos cuánticos. Esto lleva a los investigadores a un territorio inexplorado de la física.

Bo Yang y Ching Hua Lee del Instituto A * STAR de Computación de Alto Rendimiento, en colaboración con investigadores de China y el Reino Unido, Ahora hemos desarrollado un marco teórico general para una clase prometedora de sistemas de materiales cuánticos que proporcionará un lenguaje universal para los investigadores en este campo pionero.

"Nuestro marco describe una clase de fases exóticas de materia que consisten en una hoja muy delgada de electrones sujetos a un fuerte campo magnético perpendicular, "explica Yang." A diferencia de las fases convencionales de la materia, como líquidos o sólidos, estas fases están definidas por patrones específicos de electrones 'bailando' unos alrededor de otros ".

Diferentes 'patrones de baile' producen diferentes estados bidimensionales, o 'orden topológico', de la misma manera que los pinchazos en una hoja de papel producen diferentes patrones. Y aunque las propiedades de la mecánica cuántica son generalmente muy frágiles, los que se manifiestan a través del orden topológico son muy robustos y teóricamente podrían utilizarse para aplicaciones prácticas como las computadoras cuánticas topológicas.

Analizando las estructuras algebraicas de varios modelos simples y validando sus resultados frente a cálculos numéricos a gran escala, Yang y su equipo desarrollaron un modelo que permite a los físicos estudiar estos estados topológicos en una amplia gama de condiciones, incluyendo estados que son comunes en materiales reales.

"Nuestro trabajo puede ayudar tanto a los teóricos como a los experimentales a comprender y realizar nuevas fases muy interesantes de la materia, "dice Yang.