Estados topológicos da matéria são fases da matéria que vão além da teoria de quebra de simetria de Landau, que são caracterizados por invariantes topológicos e estados de borda topológicos. O físico David J. Thouless, em colaboração com F. Duncan, M. Haldane e J. Michael Kosterlitz, revelou esses estados únicos da matéria, vencendo o Prêmio Nobel de Física em 2016.

Desde sua descoberta, os estados topológicos da matéria têm se tornado o foco de um número crescente de estudos. Pesquisadores de vários campos estão agora pesquisando ativamente por esses estados, já que observá-los pode ampliar nossa compreensão atual dos estados incomuns da matéria e auxiliar na realização da computação quântica topológica.

Em um estudo recente, uma equipe de pesquisadores da Universidade Tsinghua, A Universidade de Shanxi e a Universidade Normal do Sul da China foram capazes de observar estados isolantes de magnon topológicos em um circuito supercondutor. Seu papel, publicado em Cartas de revisão física , é o primeiro a mostrar como uma cadeia qubit pode ser sintonizada com flexibilidade em estados isolantes de magnon topologicamente triviais ou não triviais.

"O conceito de estados topológicos vem originalmente de sistemas eletrônicos de estado sólido, "Feng Mei, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. "Agora foi expandido para diferentes sistemas bosônicos artificiais, incluindo átomos ultracold presos em redes ópticas, redes fotônicas e fonônicas artificiais. "

Ao longo dos últimos anos, pesquisadores fizeram progressos substanciais na obtenção de computação quântica escalável usando circuitos supercondutores. Por exemplo, A IBM e o Google alegaram ter projetado com sucesso redes qubit com 50 e 72 qubits, respectivamente. Inspirado por essas descobertas, Mei e seus colegas começaram a se perguntar se eles poderiam perceber um estado topológico em uma cadeia de qubit, atingir uma "proteção topológica" para os qubits.

“No nosso trabalho, pela primeira vez, demonstramos que as cadeias de qubit supercondutoras podem suportar estados isolantes de magnon topológicos e têm proteção topológica, "Disse Mei." Nosso trabalho mostra que a plataforma de computação quântica supercondutora também pode ser usada para realizar estados topológicos da matéria. Além disso, abre oportunidades para a implementação de processamento de informações quânticas protegidas topologicamente. "

Na física da matéria condensada, magnons são excitações coletivas da cadeia de spin dos elétrons em uma rede cristalina. Um isolador magnon topológico, por outro lado, é um novo estado topológico associado a magnons, que é caracterizado pelo invariante topológico.

O sistema investigado por Mei e seus colegas tem um número de enrolamento topológico associado a sistemas unidimensionais. Em outras palavras, quando seu número de enrolamento topológico é qualquer coisa diferente de zero, o sistema está em seus estados isolantes topológicos.

"De acordo com a correspondência bulk-edge, o número do enrolamento topológico diferente de zero garante a existência de estados de borda topológicos, "Luyan Sun, outro pesquisador envolvido no estudo, disse a Phys.org. "Assim, O número do enrolamento topológico e o estado da borda topológica são as duas marcas seminais dos isoladores topológicos. Contudo, eles não foram observados simultaneamente em nenhum sistema topológico antes. "

Em seu estudo, Mei e Sun usaram uma cadeia de qubits, cada um desses qubits sendo um circuito supercondutor. Como eles demonstraram em um estudo anterior, o acoplamento efetivo entre qubits vizinhos pode ser ajustado modulando parametricamente as frequências dos qubits.

"A força de acoplamento efetiva caracteriza a taxa de troca de energia entre qubits vizinhos, "Sun disse." Ele pode ser ajustado para ser arbitrariamente menor do que a força de acoplamento estático que é determinada pela geometria do dispositivo. Em nosso dispositivo, todos os qubits são sintonizáveis ​​em frequência e podem ser controlados por linhas de polarização de fluxo externas individuais. "

Sua configuração e procedimento permitiram que os pesquisadores simplesmente sintonizassem a cadeia de qubit em estados topológicos e não topológicos (ou seja, ativando ou desativando esses estados) alterando as configurações de acoplamento de qubit. Em seu experimento, eles simplesmente excitaram um dos qubits (ou seja, um magnon) e, em seguida, monitoraram sua dinâmica dentro da cadeia de qubits. As observações que eles reuniram lhes permitiram sondar o número do enrolamento topológico do sistema e seus estados de borda topológicos.

"Nós apenas consideramos a excitação de um qubit e percebemos os estados topológicos não interagentes, "Mei disse." Se considerarmos colocar múltiplas excitações de qubit na cadeia de qubit, estados topológicos interativos protegidos por simetria também podem ser realizados e explorados neste sistema. Nossas descobertas implicam que uma cadeia de qubit supercondutora pode ser usada como uma plataforma versátil para explorar diferentes estados topológicos da matéria protegidos por simetria e não interativos. "

O recente estudo realizado por Mei, Sun e seus colegas demonstram que estados topológicos da matéria também podem emergir em uma cadeia de qubit supercondutora. Além disso, ele fornece informações valiosas sobre a realização da proteção topológica para qubits em uma cadeia. Isso poderia promover o desenvolvimento de técnicas de processamento de informação quântica protegidas topologicamente.

Em seu trabalho futuro, os pesquisadores planejam realizar estados topológicos interativos da matéria, protegidos por simetria. Além disso, eles esperam descobrir maneiras de implementar tarefas de processamento de informações quânticas protegidas topologicamente usando cadeias de qubit supercondutoras.

"Estados topológicos interagentes protegidos por simetria são estados topológicos interativos importantes da matéria e sua realização atualmente ainda é um grande desafio, "Disse Mei." As cadeias de qubit supercondutoras com múltiplas excitações de qubit fornecem uma plataforma natural para a realização de tais estados. Com a proteção topológica dotada pelos estados topológicos, continuaremos a estudar como realizar tarefas de processamento de informações quânticas protegidas topologicamente, como transferência de estado quântico topologicamente protegida. "

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