A pesquisa sobre os estados frágeis da matéria que poderia dar impulso às muitas promessas da computação quântica foi impulsionada por um conjunto abrangente de ferramentas teóricas desenvolvidas por pesquisadores do A * STAR.

Há muito teorizado, mas notoriamente difícil de alcançar na prática, os computadores quânticos contam com um mecanismo da física quântica pelo qual um objeto pode existir simultaneamente em uma superposição difusa de vários estados. Este e outros processos quânticos complementares poderiam teoricamente ser utilizados para realizar operações complexas muitas vezes mais rápido do que em computadores clássicos. No entanto, apesar de pesquisas e investimentos significativos, computadores quânticos ainda não foram desenvolvidos, com apenas um punhado de plataformas de computação rudimentares demonstradas experimentalmente. Um dos principais motivos da falta de progresso é a fragilidade dos estados quânticos que sustentam mecanismos como a superposição.

Elétrons e luz, os 'portadores de informação' típicos de sistemas de computação quântica, ambos têm propriedades quânticas que podem ser exploradas, mas o truque é criar um sistema material físico que forneça as interações necessárias para fazer os fenômenos quânticos aparecerem. Isso leva os pesquisadores a um território desconhecido da física.

Bo Yang e Ching Hua Lee, do A * STAR Institute of High Performance Computing, em colaboração com pesquisadores da China e do Reino Unido, agora desenvolveram uma estrutura teórica geral para uma classe promissora de sistemas de materiais quânticos que fornecerá uma linguagem universal para pesquisadores neste campo pioneiro.

"Nossa estrutura descreve uma classe de fases exóticas da matéria que consiste em uma folha muito fina de elétrons sujeita a um forte campo magnético perpendicular, "explica Yang." Ao contrário das fases convencionais da matéria, como líquidos ou sólidos, essas fases são definidas por padrões específicos de elétrons 'dançando' em torno uns dos outros. "

Diferentes 'padrões de dança' produzem diferentes estados bidimensionais, ou 'ordem topológica', da mesma maneira que alfinetes em um pedaço de papel produzem padrões diferentes. E embora as propriedades da mecânica quântica sejam geralmente muito frágeis, aqueles manifestados por meio de ordem topológica são muito robustos e poderiam teoricamente ser utilizados para aplicações práticas, como computadores quânticos topológicos.

Ao analisar as estruturas algébricas de vários modelos simples e validar seus resultados contra cálculos numéricos em grande escala, Yang e sua equipe desenvolveram um modelo que permite aos físicos estudar esses estados topológicos em uma ampla gama de condições, incluindo estados que são comuns em materiais reais.

"Nosso trabalho pode ajudar teóricos e experimentalistas a compreender e realizar novas fases altamente interessantes da matéria, "diz Yang.