För första gången, en grupp forskare från Universidad Complutense de Madrid, IBM, ETH Zürich, MIT och Harvard University har observerat topologiska faser av materia i kvanttillstånd under inverkan av temperatur eller vissa typer av experimentella ofullkomligheter. Experimentet utfördes med hjälp av kvantsimulator vid IBM.

Kvantsimulatorer antogs först av Nobelpristagaren Richard Feynman 1982. Vanliga klassiska datorer är ineffektiva när det gäller att simulera system av interagerande kvantpartiklar. Dessa nya simulatorer är genuint kvanta och kan kontrolleras mycket exakt. De replikerar andra kvantsystem som är svårare att manipulera och vars fysikaliska egenskaper förblir mycket okända.

I en artikel publicerad i tidskriften Kvantinformation , forskarna beskriver hur man använder en kvantsimulator med supraledande qubits vid IBM för att replikera material som kallas topologiska isolatorer vid ändlig temperatur, och mäta för första gången deras topologiska kvantfaser.

Topologiska faser av materien representerar ett mycket spännande och aktivt forskningsfält som revolutionerar förståelsen av natur- och materialvetenskap. Studiet av dessa nya faser av materia har gett upphov till nya material som topologiska isolatorer, som beter sig som vanliga isolatorer i bulken och som metaller vid gränserna. Dessa elektroniska gränsströmmar har polariserat spinn.

Sedan upptäckten av topologisk materia, forskare har letat efter innovativa sätt att behålla sina egenskaper vid ändlig temperatur. Tidigare teoretiska arbeten av forskarna vid Universidad Complutense föreslog en ny topologisk kvantfas, Uhmann-fasen, att karakterisera dessa faser av materia i termiska system. Uhlmann-fasen tillåter forskare att generalisera materiens topologiska faser till system med temperatur.

Resultaten representerar den första mätningen av topologiska kvantfaser med temperatur, och främja syntesen och kontrollen av topologisk materia med hjälp av kvantteknologier. Bland andra applikationer, topologisk kvantmateria skulle kunna användas som hårdvara för framtida kvantdatorer på grund av dess inneboende robusthet mot fel. De experimentella resultaten som presenteras i detta arbete visar hur dessa topologiska kvantfaser också kan vara robusta mot temperatureffekter.