Topologiska material lockar stort intresse och kan utgöra grunden för en ny era inom materialutveckling. I Vetenskapliga framsteg , fysiker runt Andreas Elben, Jinlong Yu, Peter Zoller och Benoit Vermersch presenterar nu en ny mätmetod för att identifiera och karakterisera så kallade topologiska invarianter på olika experimentella plattformar.

I dag, moderna kvantsimulatorer erbjuder ett brett spektrum av möjligheter att förbereda och undersöka komplexa kvanttillstånd. De realiseras med ultrakylda atomer i optiska gitter, Rydberg atomer, instängda joner eller supraledande kvantbitar. En särskilt fascinerande klass av kvanttillstånd är topologiska tillstånd av materia. David Thouless, Duncan Haldane och Michael Kosterlitz tilldelades Nobelpriset i fysik 2016 för sin teoretiska upptäckt. Dessa tillståndstillstånd kännetecknas av icke -lokala kvantkorrelationer och är särskilt robusta mot lokala snedvridningar som oundvikligen förekommer i experiment.

Benoît Vermersch, Jinlong Yu och Andreas Elben från Center for Quantum Physics vid University of Innsbruck och Institute for Quantum Optics and Quantum Information från den österrikiska vetenskapsakademien skriver, "Att identifiera och karakterisera sådana topologiska faser i experiment är en stor utmaning. Topologiska faser kan inte identifieras med lokala mätningar på grund av deras speciella egenskaper. Vi utvecklar därför nya mätprotokoll som gör det möjligt för experimentella fysiker att karakterisera dessa tillstånd i laboratoriet."

Under de senaste åren har detta har redan uppnåtts för icke-interagerande system. Dock, för samverkande system, som i framtiden också kan användas som topologiska kvantdatorer, detta har inte varit möjligt hittills.

Med slumpmässiga mätningar till ett bestämt resultat

I Vetenskapliga framsteg , fysikerna i Peter Zollers forskargrupp föreslår nu mätprotokoll som möjliggör mätning av så kallade topologiska invarianter. Dessa matematiska uttryck beskriver vanliga egenskaper hos topologiska utrymmen och gör det möjligt att fullständigt identifiera interagerande topologiska tillstånd med global symmetri i endimensionell, bosoniska system.

"Tanken med vår metod är att först förbereda ett sådant topologiskt tillstånd i en kvantsimulator. Nu utförs så kallade slumpmässiga mätningar, och topologiska invarianter extraheras från statistiska korrelationer av dessa slumpmässiga mätningar, ”förklarar Andreas Elben.

Det specifika med denna metod är att även om de topologiska invarianterna är mycket komplexa, icke-lokala korrelationsfunktioner, de kan fortfarande extraheras från statistiska korrelationer av enkla, lokala slumpmässiga mätningar. Som med en metod som nyligen presenterats av forskargruppen för att jämföra kvanttillstånd i datorer eller simulatorer, sådana slumpmässiga mätningar är möjliga i experiment idag.

"Våra protokoll för mätning av topologiska invarianter kan därför tillämpas direkt i de befintliga experimentplattformarna, "säger Benoît Vermersch.