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

Nel mondo quantistico, la materia può organizzarsi in forme che non sono definite dalla disposizione degli atomi, ma dai collegamenti invisibili e aggrovigliati tra di essi. Queste sono chiamate fasi topologiche, e sono straordinariamente robuste; si può tendere, torcere o scuotere il materiale, e la sua natura fondamentale rimane invariata. Per decenni, gli scienziati hanno studiato queste forme in sistemi perfetti e isolati, dove lo stato quantistico è puro e immacolato. In questi contesti ideali, la stabilità della forma si basa su una regola rigorosa: una simmetria. Pensate a questa simmetria come a una legge che il sistema deve obbedire in ogni singolo istante, garantendo che i bordi del materiale si comportino in un modo specifico e protetto. Tuttavia, il mondo reale è raramente perfetto. I sistemi quantistici sono costantemente bombardati dal loro ambiente, portando a una perdita di informazione nota come decoerenza. Questo rumore trasforma uno stato quantistico puro e nitido in un miscuglio disordinato di possibilità. Per molto tempo, i fisici hanno creduto che questo disordine avrebbe distrutto le delicate forme topologiche, cancellando proprio le simmetrie che le sostenevano. La visione prevalente era che, una volta che un sistema fosse diventato un insieme misto e rumoroso, le sue speciali proprietà topologiche sarebbero svanite, lasciando dietro di sé solo uno stato banale e privo di interesse.

Un team di ricercatori ha ora sfidato questa supposizione, dimostrando che il rumore, quando attentamente controllato, può in realtà creare un nuovo tipo di ordine topologico. Lavorando con processori quantistici programmabili, hanno mostrato che anche quando un sistema è sottoposto a decoerenza, una forma di simmetria può sopravvivere, non in ogni singolo caso, ma in media. Sono partiti da una catena unidimensionale di bit quantistici, disposti in un modello specifico noto come stato cluster, famoso per i suoi bordi protetti. Hanno poi introdotto un tipo specifico di rumore: un ribaltamento casuale dello stato quantistico su ogni secondo legame della catena. In qualsiasi singola esecuzione dell'esperimento, questo rumore ha rimescolato il sistema, distruggendo la stretta simmetria che di solito protegge la forma. Tuttavia, quando i ricercatori hanno osservato i risultati di migliaia di queste esecuzioni combinate, è emersa una sorprendente struttura. La simmetria non era scomparsa; aveva semplicemente cambiato la sua natura. Invece di essere una legge rigida che si applicava a ogni momento, era diventata una legge media che era vera solo quando i diversi esiti rumorosi venivano mescolati insieme. Questo nuovo stato, che i ricercatori chiamano fase topologica protetta da simmetria media, ha dimostrato che la struttura topologica era ancora presente, codificata nel mix statistico del sistema, anche se era invisibile se si guardava un singolo scatto rumoroso.

Per dimostrare ciò, il team ha dovuto inventare un nuovo modo di osservare i dati. Le misurazioni standard, che osservano il sistema una sola volta e ne registrano il risultato, sono fallite perché il rumore ha causato l'annullamento dei segnali. Era come cercare di ascoltare una melodia ascoltando mille persone diverse che cantano la stessa melodia con tempi e toni leggermente diversi; il suono sarebbe stato solo un ronzio confuso. Per tagliare attraverso questa confusione, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica che prevedeva la preparazione di due copie identiche del sistema rumoroso nello stesso momento. Confrontando queste due copie in un modo specifico, potevano filtrare il rumore casuale e rivelare la struttura sottostante che era nascosta nell'media. Hanno misurato una proprietà chiamata correlazione di stringa, che agisce come un filo a lungo raggio che collega le estremità della catena. In una singola copia, questo filo appariva spezzato e sbiadito all'aumentare del rumore. Ma quando hanno utilizzato il metodo delle due copie, il filo è rimasto forte e intatto, provando che l'ordine topologico era sopravvissuto al rumore. Questa è stata un'osservazione diretta di un nuovo tipo di materia quantistica che esiste solo nel regno degli stati misti, dove l'ordine è definito dal comportamento collettivo di molte possibilità piuttosto che da una singola realtà perfetta.

I ricercatori hanno anche esaminato la struttura dell'energia interna del sistema per vedere come il rumore avesse rimodellato il paesaggio quantistico. Hanno scoperto che, sebbene il rumore avesse cambiato la distribuzione dei livelli energetici, non aveva distrutto l'accoppiamento caratteristico degli stati che segnala la presenza di bordi protetti. In un sistema perfetto, questi stati di bordo si presentano in coppie, una firma della protezione topologica. Quando il rumore è stato introdotto, il sistema non ha perso questo accoppiamento; invece, il rumore ha semplicemente spostato il peso del sistema in diversi settori, creando un modello più complesso dove la struttura accoppiata rimaneva visibile all'interno di ogni sezione. Ciò ha confermato che la protezione topologica era abbastanza robusta da resistere alla decoerenza ingegnerizzata. L'esperimento è stato condotto su hardware quantistico con catene di fino a quaranta bit quantistici, e i risultati hanno corrisponduto alle previsioni teoriche con alta precisione. Il team ha dimostrato che, progettando attentamente il rumore, potevano trasformare un sistema da una simmetria stretta e forte a una simmetria media e più debole, senza perdere l'ordine topologico che rende speciale il sistema.

Questo lavoro apre una nuova porta per comprendere come la materia quantistica si comporta nel mondo reale e rumoroso. Suggerisce che non dobbiamo eliminare tutto il rumore per preservare le proprietà quantistiche; invece, potremmo essere in grado di sfruttare il rumore come una risorsa. Progettando sistemi in cui l'ordine topologico è protetto da simmetrie medie, potremmo creare materiali quantistici più resilienti che non richiedono le condizioni impossibili di un isolamento perfetto. Lo studio fornisce un percorso chiaro per utilizzare gli attuali processori quantistici per esplorare queste fasi di stato misto, mostrando che la natura disordinata e decoerente del mondo reale non significa necessariamente la fine dell'ordine quantistico. Al contrario, rivela un paesaggio più ricco dove l'ordine può emergere dalla media di molte traiettorie caotiche, offrendo una nuova prospettiva su come costruire e proteggere le tecnologie quantistiche del futuro.