Forskning om de bräckliga tillstånden i materia som kan ge dragkraft till de många löften om kvantberäkning har fått ett lyft av en omfattande uppsättning teoretiska verktyg som utvecklats av A*STAR -forskare.

Lång teoretiserad men notoriskt svår att uppnå i praktiken, kvantdatorer är beroende av en mekanism inom kvantfysiken genom vilken ett objekt samtidigt kan existera i en suddig superposition av flera tillstånd. Denna och andra kompletterande kvantprocesser skulle teoretiskt kunna användas för att utföra komplexa operationer många gånger snabbare än i klassiska datorer. Men trots betydande forskning och investeringar, kvantdatorer är fortfarande outvecklade, med bara en handfull rudimentära datorplattformar demonstrerade experimentellt. En av de främsta anledningarna till bristen på framsteg är bräckligheten hos kvanttillstånden som stödjer mekanismer som superposition.

Elektroner och ljus, de typiska "informationsbärarna" för kvantberäkningssystem, båda har kvantegenskaper som kan utnyttjas, men tricket är att skapa ett fysiskt materiellt system som tillhandahåller de interaktioner som behövs för att få kvantefenomenen att visas. Detta tar forskare in i okänt fysikområde.

Bo Yang och Ching Hua Lee från A*STAR Institute of High Performance Computing, i samarbete med forskare från Kina och Storbritannien, har nu utvecklat en allmän teoretisk ram för en lovande klass av kvantmaterialsystem som kommer att ge ett universellt språk för forskare inom detta banbrytande område.

"Vår ram beskriver en klass av exotiska faser av materia som består av ett mycket tunt ark av elektroner som utsätts för ett starkt vinkelrätt magnetfält, "förklarar Yang." Till skillnad från konventionella faser av materia som vätskor eller fasta ämnen, dessa faser definieras av specifika mönster av elektroner som "dansar" runt varandra. "

Olika "dansmönster" producerar olika tvådimensionella tillstånd, eller 'topologisk ordning', på samma sätt som nålstick i ett papper ger olika mönster. Och även om kvantmekaniska egenskaper i allmänhet är mycket bräckliga, de som manifesteras genom topologisk ordning är mycket robusta och kan teoretiskt användas för praktiska tillämpningar som topologiska kvantdatorer.

Genom att analysera algebraiska strukturer för olika enkla modeller och validera deras resultat mot storskaliga numeriska beräkningar, Yang och hans team utvecklade en modell som gör det möjligt för fysiker att studera dessa topologiska tillstånd över ett brett spektrum av förhållanden, inklusive tillstånd som är vanliga i verkliga material.

"Vårt arbete kan hjälpa både teoretiker och experimenter att förstå och inse mycket intressanta nya faser av materia, säger Yang.