Realization of decoherence-induced averaged symmetry-protected topological phases on quantum processors

En el mundo cuántico, la materia puede organizarse en formas que no están definidas por la disposición de los átomos, sino por las conexiones invisibles y enredadas entre ellos. Estas se denominan fases topológicas, y son notablemente robustas; uno puede estirar, retorcer o sacudir el material, y su naturaleza fundamental permanece inalterada. Durante décadas, los científicos han estudiado estas formas en sistemas perfectos y aislados donde el estado cuántico es puro e inmaculado. En estos entornos ideales, la estabilidad de la forma depende de una regla estricta: una simetría. Piense en esta simetría como una ley que el sistema debe obedecer en cada momento, asegurando que los bordes del material se comporten de una manera específica y protegida. Sin embargo, el mundo real rara vez es perfecto. Los sistemas cuánticos son bombardeados constantemente por su entorno, lo que conduce a una pérdida de información conocida como decoherencia. Este ruido convierte un estado cuántico puro y nítido en una mezcla desordenada de posibilidades. Durante mucho tiempo, los físicos creyeron que este desorden destruiría las delicadas formas topológicas, borrando las mismas simetrías que las mantenían unidas. La visión predominante era que, una vez que un sistema se convertía en un conjunto mixto y ruidoso, sus propiedades topológicas especiales desaparecerían, dejando atrás solo un estado trivial y poco interesante.

Un equipo de investigadores ha desafiado ahora este supuesto al demostrar que el ruido, cuando se controla cuidadosamente, puede de hecho crear un nuevo tipo de orden topológico. Trabajando con procesadores cuánticos programables, demostraron que incluso cuando un sistema es sometido a la decoherencia, una forma de simetría puede sobrevivir, no en cada instancia individual, sino en promedio. Comenzaron con una cadena unidimensional de bits cuánticos, dispuestos en un patrón específico conocido como estado de clúster, el cual es famoso por sus bordes protegidos. Luego introdujeron un tipo específico de ruido: un volteo aleatorio del estado cuántico en cada segundo enlace de la cadena. En cualquier ejecución individual del experimento, este ruido desordenó el sistema, destruyendo la simera estricta que usualmente protege la forma. Sin embargo, cuando los investigadores observaron los resultados de miles de estas ejecuciones combinadas, surgió un patrón sorprendente. La simetría no había desaparecido; simplemente había cambiado su naturaleza. En lugar de ser una ley rígida que se aplicaba a cada momento, se convirtió en una ley promedio que se mantenía verdadera solo cuando los diferentes resultados ruidosos se mezclaban. Este nuevo estado, que los investigadores llaman una fase topológica protegida por simetría promedio, demostró que la estructura topológica seguía allí, codificada en la mezcla estadística del sistema, a pesar de que era invisible si se observaba una sola instantánea ruidosa.

Para probar esto, el equipo tuvo que inventar una nueva forma de observar los datos. Las mediciones estándar, que observan el sistema una vez y registran el resultado, fallaron porque el ruido causó que las señales se cancelaran entre sí. Era como intentar escuchar una melodía escuchando a mil personas diferentes cantándola con tiempos y tonos ligeramente distintos; el sonido sería solo un zumbido confuso. Para atravesar esta confusión, los investigadores utilizaron una técnica que consistía en preparar dos copias idénticas del sistema ruidoso al mismo tiempo. Al comparar estas dos copias de una manera específica, podían filtrar el ruido aleatorio y revelar la estructura subyacente que estaba oculta en el promedio. Midieron una propiedad llamada correlación de cadena, que actúa como un hilo de largo alcance que conecta los extremos de la cadena. En una sola copia, este hilo parecía romperse y desvanecerse a medida que el ruido aumentaba. Pero cuando utilizaron el método de las dos copias, el hilo permaneció fuerte e intacto, demostrando que el orden topológico había sobrevivido al ruido. Esta fue una observación directa de un nuevo tipo de materia cuántica que existe solo en el reino de los estados mixtos, donde el orden está definido por el comportamiento colectivo de muchas posibilidades más que por una única realidad perfecta.

Los investigadores también examinaron la estructura de energía interna del sistema para ver cómo el ruido remodeló el paisaje cuántico. Descubrieron que, si bien el ruido cambió la distribución de los niveles de energía, no destruyó el emparejamiento característico de los estados que señala la presencia de bordes protegidos. En un sistema perfecto, estos estados de borde vienen en pares, una firma de la protección topológica. Cuando se introdujo el ruido, el sistema no perdió este emparejamiento; en su lugar, el ruido simplemente desplazó el peso del sistema hacia diferentes sectores, creando un patrón más complejo donde la estructura emparejada permanecía visible dentro de cada sección. Esto confirmó que la protección topológica era lo suficientemente robusta como para resistir la decoherencia diseñada. El experimento se realizó en hardware cuántico con cadenas de hasta cuarenta bits cuánticos, y los resultados coincidieron con las predicciones teóricas con alta precisión. El equipo demostró que, mediante la ingeniería cuidadosa del ruido, podían transformar un sistema de tener una simetría estricta y fuerte a tener una simetría promedio y más débil, sin perder el orden topológico que hace que el sistema sea especial.

Este trabajo abre una nueva puerta para comprender cómo se comporta la materia cuántica en el mundo real y ruidoso. Sugiere que no necesitamos eliminar todo el ruido para preservar las propiedades cuánticas; en cambio, podríamos ser capaces de aprovechar el ruido como un recurso. Al diseñar sistemas donde el orden topológico esté protegido por simetrías promedio, podríamos crear materiales cuánticos más resilientes que no requieran las condiciones imposibles de aislamiento perfecto. El estudio proporciona un camino claro para utilizar los procesadores cuánticos actuales para explorar estas fases de estado mixto, mostrando que la naturaleza desordenada y decoherente del mundo real no significa necesariamente el fin del orden cuántico. En cambio, revela un paisaje más rico donde el orden puede emerger del promedio de muchas trayectorias caóticas, ofreciendo una nueva perspectiva sobre cómo construir y proteger las tecnologías cuánticas del futuro.