En años recientes, Los físicos de todo el mundo han realizado estudios que exploran las características y la dinámica de las fases topológicas de la materia que podrían permitir el desarrollo de dispositivos cuánticos y otras nuevas tecnologías. Algunas de estas fases están respaldadas por lo que se conoce como simetría de inversión en el tiempo (TRS) de las leyes microscópicas de la naturaleza.

Investigadores de la Universidad de Cambridge han demostrado recientemente que algunas fases topológicas protegidas por TRS son fundamentalmente inestables frente al acoplamiento con su entorno circundante. Sus hallazgos, esbozado en un artículo publicado en Física de la naturaleza , destacar una serie de desafíos que podrían estar asociados con el uso de sistemas topológicos para desarrollar tecnologías cuánticas.

"Nos han interesado ciertas fases de la materia conocidas como fases topológicas, que han atraído mucha atención recientemente debido a sus aplicaciones propuestas en tecnologías de base cuántica, "Max McGinley, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "En particular, Se cree que algunas fases topológicas pueden almacenar información cuántica de una manera que es naturalmente robusta a cualquier imperfección que surja inevitablemente en los experimentos. haciéndolos potencialmente útiles para la computación cuántica ".

La mayoría de los argumentos teóricos existentes que justifican la robustez de las fases topológicas al ruido experimental no consideran el hecho de que en implementaciones reales, estos sistemas pueden interactuar con su entorno de formas inesperadas. Teniendo esto en cuenta, McGinley y su colega Nigel R. Cooper se propusieron investigar si los sistemas topológicos todavía funcionaban bien cuando se utilizan para desarrollar dispositivos de memoria cuántica y en presencia de efectos "ambientales" externos. Sus hallazgos iniciales apuntan a un principio general que podría aplicarse a todas las fases topológicas, en lugar de específicamente a aquellos que permiten el almacenamiento de información cuántica.

"Demostramos que hay una cierta clase de fases topológicas (conocidas como fases topológicas protegidas por simetría de inversión de tiempo) que se vuelven inestables cuando interactúan con el entorno que las rodea y, por lo tanto, no se pueden utilizar en el mundo real". "Dijo McGinley." Gran parte de nuestro análisis se basó en los efectos de las simetrías en la mecánica cuántica, que son fundamentales para la teoría de las fases topológicas ".

Las simetrías limitan naturalmente los procesos que pueden ocurrir o no en los sistemas físicos. En sistemas topológicos, por ejemplo, una simetría particular puede evitar que se pierda información cuántica.

Los tipos de simetrías más convencionales que existen en la naturaleza son los relacionados con las coordenadas espaciales. Por ejemplo, un cuadrado tiene una simetría bajo una rotación de 90 grados alrededor de su centro. TRS es un tipo de simetría más sutil que surge dentro de la descripción física de un sistema dinámico. Esencialmente, TRS significa que en un sistema físico, las leyes de la física se ven iguales cuando el tiempo avanza y retrocede.

"Extrañamente, esta simetría no se refleja en los grandes objetos que encontramos en nuestra vida diaria (es decir, sistemas compuestos por muchas partículas microscópicas), "McGinley explicó." Por ejemplo, una taza de café caliente se enfriará con el tiempo, pero una taza de café fría no se calentará espontáneamente. Nos dimos cuenta de que esta disparidad entre las simetrías de las leyes fundamentales de la naturaleza y las simetrías de sistemas complejos de muchas partículas (como su taza de café) también se manifiesta en los sistemas topológicos. Las fases topológicas que dependen de la simetría de inversión del tiempo son las que son inestables por exactamente las mismas razones ".

El estudio destaca las posibles limitaciones del uso de sistemas topológicos protegidos con TRS para desarrollar tecnologías cuánticas. Más específicamente, los investigadores observaron que algunas fases topológicas son mucho menos robustas al ruido ambiental de lo que predicen las teorías existentes.

"Un pesimista podría ver esto como una mala noticia para el campo, "Dijo McGinley." Sin embargo, nuestra opinión es que nuestros resultados pueden ayudar a quienes trabajan a poner en práctica los sistemas topológicos. Habiendo identificado qué fases topológicas son inestables, la atención futura puede centrarse en aquellos que pueden, en principio, estar protegido de estos efectos ambientales adversos ".

El nuevo principio se aplica a todas las fases topológicas, pero los investigadores hasta ahora lo han investigado principalmente en el contexto de las memorias cuánticas u otra tecnología cuántica. En sus próximos estudios, planean probar y estudiar el mismo principio en relación con otras aplicaciones.

"Por ejemplo, Se espera que algunas fases topológicas tengan interesantes propiedades de conductancia eléctrica, pero los experimentos no muestran la misma robustez que cabría esperar según las teorías actuales, ", Dijo McGinley." Quizás las ideas que hemos descubierto aquí podrían usarse para explicar algunos aspectos de estos experimentos ".

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