Les états topologiques de la matière sont des phases de la matière qui vont au-delà de la théorie de rupture de symétrie de Landau, qui sont caractérisés par des invariants topologiques et des états de bord topologiques. Le physicien David J. Thouless, en collaboration avec F. Duncan, M. Haldane et J. Michael Kosterlitz, a dévoilé ces états uniques de la matière, lauréat du prix Nobel de physique en 2016.

Depuis leur découverte, Les états topologiques de la matière sont devenus l'objet d'un nombre croissant d'études. Des chercheurs de divers domaines recherchent maintenant activement ces états, car les observer pourrait à la fois élargir notre compréhension actuelle des états inhabituels de la matière et aider à la réalisation du calcul quantique topologique.

Dans une étude récente, une équipe de chercheurs de l'université Tsinghua, L'Université du Shanxi et l'Université normale de Chine du Sud ont pu observer des états topologiques d'isolants de magnon dans un circuit supraconducteur. Leur papier, Publié dans Lettres d'examen physique , est le premier à montrer comment une chaîne de qubits peut être réglée de manière flexible sur des états isolants de magnon topologiquement triviaux ou non triviaux.

"Le concept d'états topologiques vient à l'origine des systèmes électroniques à semi-conducteurs, " Feng Mei, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "Il a maintenant été étendu à différents systèmes bosoniques artificiels, y compris les atomes ultrafroids piégés dans des réseaux optiques, réseaux photoniques et phononiques artificiels."

Au cours des dernières années, les chercheurs ont réalisé des progrès substantiels dans la réalisation de calculs quantiques évolutifs à l'aide de circuits supraconducteurs. Par exemple, IBM et Google ont tous deux affirmé avoir réussi à concevoir des réseaux de qubits avec 50 et 72 qubits, respectivement. Inspiré par ces découvertes, Mei et ses collègues ont commencé à se demander s'ils pouvaient réaliser un état topologique dans une chaîne de qubits, atteindre une "protection topologique" pour les qubits.

« Dans notre travail, pour la première fois, nous démontrons que les chaînes de qubit supraconductrices peuvent supporter des états topologiques d'isolant de magnon et avoir une protection topologique, " a déclaré Mei. "Notre travail montre que la plate-forme informatique quantique supraconductrice peut également être utilisée pour réaliser des états topologiques de la matière. En outre, cela ouvre des opportunités pour la mise en œuvre d'un traitement de l'information quantique topologiquement protégé."

En physique de la matière condensée, les magnons sont des excitations collectives de la chaîne de spin des électrons dans un réseau cristallin. Un isolant topologique magnon, d'autre part, est un nouvel état topologique associé aux magnons, qui est caractérisé par l'invariant topologique.

Le système étudié par Mei et ses collègues a un nombre d'enroulement topologique associé à des systèmes unidimensionnels. En d'autres termes, lorsque son numéro d'enroulement topologique est autre que zéro, le système est dans ses états d'isolant topologique.

"Selon la correspondance en vrac, le nombre d'enroulements topologiques non nul garantit l'existence d'états de bord topologiques, " Luyan Sun, un autre chercheur impliqué dans l'étude, dit Phys.org. "Ainsi, le nombre d'enroulements topologiques et l'état de bord topologique sont les deux caractéristiques fondamentales des isolants topologiques. Cependant, ils n'ont jamais été observés simultanément dans aucun système topologique auparavant."

Dans leur étude, Mei et Sun ont utilisé une chaîne de qubits, chacun de ces qubits étant un circuit supraconducteur. Comme ils l'ont démontré dans une étude précédente, le couplage effectif entre qubits voisins peut être réglé en modulant paramétriquement les fréquences des qubits.

"La force de couplage effective caractérise le taux d'échange d'énergie entre qubits voisins, " Sun a déclaré. "Il peut être réglé pour être arbitrairement plus petit que la force de couplage statique qui est déterminée par la géométrie de l'appareil. Dans notre appareil, tous les qubits sont réglables en fréquence et peuvent être contrôlés par des lignes de polarisation de flux externes individuelles."

Leur configuration et leur procédure ont permis aux chercheurs d'ajuster simplement la chaîne qubit en états topologiques et non topologiques (c'est-à-dire en activant ou en désactivant ces états) en modifiant les configurations de couplage qubit. Dans leur expérience, ils ont simplement excité l'un des qubits (c'est-à-dire un magnon), puis ont surveillé sa dynamique au sein de la chaîne de qubits. Les observations qu'ils ont recueillies leur ont permis de sonder à la fois le nombre d'enroulements topologiques du système et ses états de bord topologiques.

"Nous ne considérons que l'excitation à un seul qubit et réalisons les états topologiques sans interaction, " Mei a dit. " Si nous considérons mettre plusieurs excitations de qubit dans la chaîne de qubit, des états topologiques en interaction protégés par la symétrie peuvent également être réalisés et explorés dans ce système. Nos résultats impliquent qu'une chaîne de qubits supraconducteurs peut être utilisée comme une plate-forme polyvalente pour explorer différents états topologiques de la matière protégés par symétrie, sans interaction et en interaction."

La récente étude menée par Mei, Sun et leurs collègues démontrent que des états topologiques de la matière peuvent également émerger dans une chaîne de qubits supraconducteurs. En outre, il fournit des informations précieuses sur la réalisation de la protection topologique des qubits dans une chaîne. Cela pourrait favoriser le développement de techniques de traitement de l'information quantique topologiquement protégées.

Dans leurs futurs travaux, les chercheurs prévoient de réaliser des états topologiques de la matière en interaction protégés par la symétrie. En outre, ils espèrent découvrir des moyens de mettre en œuvre des tâches de traitement d'informations quantiques protégées topologiquement à l'aide de chaînes de qubit supraconductrices.

« Les états topologiques en interaction protégés par la symétrie sont des états topologiques de la matière en interaction importants et leur réalisation reste actuellement un grand défi, ", a déclaré Mei. "Les chaînes de qubit supraconductrices avec de multiples excitations de qubit fournissent une plate-forme naturelle pour réaliser de tels états. Avec la protection topologique conférée par les états topologiques, nous étudierons ensuite comment réaliser des tâches de traitement de l'information quantique topologiquement protégées, tels que le transfert d'état quantique protégé topologiquement."

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