Ученые определили новые квантовые состояния топологических материалов
Топологические материалы вызывают большой интерес и могут стать основой для новой эры в разработке материалов, сообщает 11 апреля Science Advances.
Ученые Центра квантовой физики при Университете Инсбрука и Института квантовой оптики и квантовой информации Австрийской академии наук Андреас Эльбен, Джинлонг Ю, Питер Цоллера и Бенуа Вермерш теперь могут представить новый метод измерения для идентификации и характеристики так называемых топологических инвариантов на различных экспериментальных платформах.
Сегодня современные квантовые симуляторы предлагают широкий спектр возможностей для подготовки и исследования сложных квантовых состояний. Они реализованы с ультрахолодными атомами в оптических решетках, ридберговскими атомами, захваченными ионами или сверхпроводящими квантовыми битами. Особенно захватывающим классом квантовых состояний являются топологические состояния материи. Дэвид Тоулесс, Дункан Холдейн и Майкл Костерлиц были удостоены Нобелевской премии по физике в 2016 году за их теоретическое открытие. Эти состояния вещества характеризуются нелокальными квантовыми корреляциями и особенно устойчивы к локальным искажениям, которые неизбежно возникают в экспериментах.
«Выявление и характеристика таких топологических фаз в экспериментах — это большая проблема. Топологические фазы не могут быть идентифицированы локальными измерениями из-за их особых свойств. Поэтому мы разрабатываем новые протоколы измерений, которые позволят физикам-экспериментаторам охарактеризовать эти состояния в лаборатории », — отметили ученые.
В последние годы это уже было достигнуто для невзаимодействующих систем. Однако для взаимодействующих систем, которые в будущем могли бы также использоваться в качестве топологических квантовых компьютеров, это пока невозможно.
От случайных измерений до определенного результата
В журнале Science Advances физики исследовательской группы Питера Цоллера теперь предлагают протоколы измерений, которые позволяют измерять так называемые топологические инварианты. Эти математические выражения описывают общие свойства топологических пространств и позволяют полностью идентифицировать взаимодействующие топологические состояния с глобальной симметрией в одномерных, бозонных системах.
«Идея нашего метода заключается в том, чтобы сначала подготовить такое топологическое состояние в квантовом симуляторе. Теперь выполняются так называемые случайные измерения, а топологические инварианты извлекаются из статистических корреляций этих случайных измерений», — объясняет Андреас Эльбен.
Особенностью этого метода является то, что, хотя топологические инварианты являются очень сложными, нелокальными корреляционными функциями, их все же можно извлечь из статистических корреляций простых локальных случайных измерений. Как и в методе, недавно представленном исследовательской группой для сравнения квантовых состояний в компьютерах или симуляторах, такие случайные измерения возможны в современных экспериментах.
«Поэтому наши протоколы для измерения топологических инвариантов могут быть непосредственно применены в существующих экспериментальных платформах», —говорит Бенуа Вермерш.
Отметим, что топологические материалы — это вещества, обладающие необычными электронными свойствами, которые обеспечиваются фундаментальными законами сохранения.
