Os materiais topológicos atraem grande interesse e podem fornecer a base para uma nova era no desenvolvimento de materiais. No Avanços da Ciência , físicos em torno de Andreas Elben, Jinlong Yu, Peter Zoller e Benoit Vermersch apresentam agora um novo método de medição para identificar e caracterizar os chamados invariantes topológicos em várias plataformas experimentais.

Hoje, simuladores quânticos modernos oferecem uma ampla gama de possibilidades para preparar e investigar estados quânticos complexos. Eles são realizados com átomos ultracold em redes ópticas, Átomos de Rydberg, íons aprisionados ou bits quânticos supercondutores. Uma classe particularmente fascinante de estados quânticos são os estados topológicos da matéria. David Thouless, Duncan Haldane e Michael Kosterlitz receberam o Prêmio Nobel de Física em 2016 por sua descoberta teórica. Esses estados da matéria são caracterizados por correlações quânticas não locais e são particularmente robustos contra distorções locais que inevitavelmente ocorrem em experimentos.

Benoît Vermersch, Jinlong Yu e Andreas Elben, do Centro de Física Quântica da Universidade de Innsbruck e do Instituto de Óptica Quântica e Informação Quântica da Academia Austríaca de Ciências, escrevem:"Identificar e caracterizar essas fases topológicas em experimentos é um grande desafio. As fases topológicas não podem ser identificadas por medições locais por causa de suas propriedades especiais. Estamos, portanto, desenvolvendo novos protocolos de medição que permitirão aos físicos experimentais caracterizar esses estados em laboratório."

Nos últimos anos, isso já foi alcançado para sistemas não interagentes. Contudo, para sistemas de interação, que no futuro também podem ser usados ​​como computadores quânticos topológicos, isso não foi possível até agora.

Com medições aleatórias para um resultado definitivo

No Avanços da Ciência , os físicos do grupo de pesquisa de Peter Zoller agora propõem protocolos de medição que permitem a medição dos chamados invariantes topológicos. Essas expressões matemáticas descrevem propriedades comuns de espaços topológicos e tornam possível identificar totalmente os estados topológicos em interação com simetria global em unidimensional, sistemas bosônicos.

"A ideia do nosso método é primeiro preparar esse estado topológico em um simulador quântico. Agora, as chamadas medições aleatórias são realizadas, e invariantes topológicos são extraídos de correlações estatísticas dessas medidas aleatórias, "explica Andreas Elben.

A característica específica deste método é que, embora os invariantes topológicos sejam altamente complexos, funções de correlação não locais, eles ainda podem ser extraídos de correlações estatísticas de simples, medições aleatórias locais. Tal como acontece com um método recentemente apresentado pelo grupo de pesquisa para comparar estados quânticos em computadores ou simuladores, tais medições aleatórias são possíveis em experimentos hoje.

"Nossos protocolos para medir os invariantes topológicos podem, portanto, ser aplicados diretamente nas plataformas experimentais existentes, "diz Benoît Vermersch.