Los estados topológicos de la materia son fases de la materia que van más allá de la teoría de ruptura de simetría de Landau, que se caracterizan por invariantes topológicos y estados de borde topológicos. El físico David J. Thouless, en colaboración con F. Duncan, M. Haldane y J. Michael Kosterlitz, desveló estos estados únicos de la materia, ganando el Premio Nobel de Física en 2016.

Desde su descubrimiento, Los estados topológicos de la materia se han convertido en el foco de un número creciente de estudios. Investigadores de una variedad de campos están buscando activamente estos estados, ya que observarlos podría ampliar nuestra comprensión actual de los estados inusuales de la materia y ayudar a la realización de la computación cuántica topológica.

En un estudio reciente, un equipo de investigadores de la Universidad de Tsinghua, La Universidad de Shanxi y la Universidad Normal del Sur de China pudieron observar estados de aisladores de magnones topológicos en un circuito superconductor. Su papel publicado en Cartas de revisión física , es el primero en mostrar cómo una cadena de qubit se puede sintonizar de manera flexible en estados de aislante magnon topológicamente triviales o no triviales.

"El concepto de estados topológicos proviene originalmente de los sistemas electrónicos de estado sólido, "Feng Mei, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "Ahora se ha expandido a diferentes sistemas bosónicos artificiales, incluyendo átomos ultrafríos atrapados en redes ópticas, redes artificiales fotónicas y fonónicas ".

En los ultimos años, Los investigadores han logrado avances sustanciales en el logro de la computación cuántica escalable utilizando circuitos superconductores. Por ejemplo, IBM y Google afirmaron haber diseñado con éxito celosías de qubit con 50 y 72 qubits, respectivamente. Inspirado por estos hallazgos, Mei y sus colegas comenzaron a preguntarse si podrían realizar un estado topológico en una cadena de qubit, logrando una "protección topológica" para los qubits.

"En nuestro trabajo, por primera vez, Demostramos que las cadenas qubit superconductoras pueden soportar estados de aisladores de magnones topológicos y tener protección topológica, ", Dijo Mei." Nuestro trabajo muestra que la plataforma de computación cuántica superconductora también se puede utilizar para realizar estados topológicos de la materia. Además, abre oportunidades para implementar el procesamiento de información cuántica protegida topológicamente ".

En la física de la materia condensada, Los magnones son excitaciones colectivas de la cadena de espín de los electrones en una red cristalina. Un aislante de magnón topológico, por otra parte, es un nuevo estado topológico asociado con magnones, que se caracteriza por el invariante topológico.

El sistema investigado por Mei y sus colegas tiene un número de bobinado topológico asociado con sistemas unidimensionales. En otras palabras, cuando su número de devanado topológico es distinto de cero, el sistema se encuentra en sus estados de aislante topológico.

"De acuerdo con la correspondencia masiva de borde, el número de devanado topológico distinto de cero garantiza la existencia de estados de borde topológicos, "Luyan Sun, otro investigador involucrado en el estudio, dijo Phys.org. "Por lo tanto, El número de devanado topológico y el estado del borde topológico son las dos características fundamentales de los aislantes topológicos. Sin embargo, no se han observado simultáneamente en ningún sistema topológico antes ".

En su estudio, Mei y Sun usaron una cadena de qubits, siendo cada uno de estos qubits un circuito superconductor. Como demostraron en un estudio anterior, el acoplamiento efectivo entre qubits vecinos se puede sintonizar modulando paramétricamente las frecuencias de los qubits.

"La fuerza de acoplamiento efectiva caracteriza la tasa de intercambio de energía entre qubits vecinos, ", Dijo Sun." Se puede ajustar para que sea arbitrariamente más pequeño que la fuerza de acoplamiento estático que está determinada por la geometría del dispositivo. En nuestro dispositivo, todos los qubits son sintonizables en frecuencia y pueden controlarse mediante líneas de polarización de flujo externas individuales ".

Su configuración y procedimiento permitieron a los investigadores sintonizar simplemente la cadena de qubit en estados topológicos y no topológicos (es decir, activar o desactivar estos estados) cambiando las configuraciones de acoplamiento de qubit. En su experimento, simplemente excitaron uno de los qubits (es decir, un magnon) y luego monitorearon su dinámica dentro de la cadena de qubits. Las observaciones que recopilaron les permitieron sondear tanto el número de devanado topológico del sistema como sus estados de borde topológicos.

"Solo consideramos la excitación de un solo qubit y nos damos cuenta de los estados topológicos que no interactúan, "Dijo Mei." Si consideramos poner múltiples excitaciones de qubit en la cadena de qubit, Los estados topológicos interactivos protegidos por simetría también se pueden realizar y explorar en este sistema. Nuestros hallazgos implican que una cadena de qubits superconductores se puede utilizar como una plataforma versátil para explorar diferentes estados topológicos de la materia protegidos por simetría que no interactúan y que interactúan ".

El reciente estudio realizado por Mei, Sun y sus colegas demuestran que los estados topológicos de la materia también pueden surgir en una cadena de qubit superconductores. Además, proporciona información valiosa sobre la realización de la protección topológica para qubits en una cadena. Esto podría promover el desarrollo de técnicas de procesamiento de información cuántica protegidas topológicamente.

En su trabajo futuro, los investigadores planean realizar estados topológicos interactivos de la materia protegidos por simetría. Además, esperan descubrir formas de implementar tareas de procesamiento de información cuántica protegidas topológicamente utilizando cadenas de qubit superconductores.

"Los estados topológicos interactivos protegidos por simetría son estados topológicos interactivos importantes de la materia y su realización en la actualidad sigue siendo un gran desafío, "Dijo Mei." Las cadenas de qubit superconductores con múltiples excitaciones de qubit proporcionan una plataforma natural para realizar tales estados. Con la protección topológica dotada por los estados topológicos, Continuaremos estudiando cómo realizar tareas de procesamiento de información cuántica protegidas topológicamente, como la transferencia de estado cuántico topológicamente protegida ".

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