Exploring topology via momentum-selective tomography
Questo articolo propone e dimostra sperimentalmente un nuovo framework di tomografia selettiva del momento su un processore superconduttore, consentendo l'estrazione diretta delle fasi di avvolgimento e la mappatura di diagrammi di fase topologici per modelli di Su-Schrieffer-Heeger estesi.
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Nel strano mondo della fisica quantistica, le particelle non stanno semplicemente sedute in un unico posto; esse esistono come onde che si diffondono attraverso lo spazio. Quando queste onde si muovono attraverso un modello ripetitivo, come gli atomi disposti in un cristallo, formano forme specifiche note come bande di energia. Per decenni, i fisici hanno saputo che queste bande possono possedere una proprietà globale nascosta chiamata topologia. Pensate a questa proprietà come al numero di buchi in un pezzo di pasta: una ciambella ha un buco, un pretzel ne ha tre e un bagel ne ha uno, ma non è possibile trasformare una ciambella in un pretzel senza strappare la pasta. Nel mondo quantistico, questo "conteggio dei buchi" è chiamato invariante topologico. È un numero che descrive l'intero sistema in una volta sola, rendendolo incredibilmente stabile contro piccole perturbazioni. Questa stabilità è il motivo per cui gli scienziati sono così interessati a queste proprietà; esse potrebbero essere la chiave per costruire computer quantistici che non vadano in crash quando affrontano piccoli errori. Tuttavia, misurare questo "conteggio dei buchi" globale è stato un ostacolo principale. Poiché le onde sono diffuse, è difficile guardare una singola parte specifica del modello per vedere come la forma si attorciglia. I metodi precedenti richiedevano di osservare l'intero sistema cambiare nel tempo o di riempirlo completamente, il che è come cercare di capire la forma di un nodo osservando l'intera corda ondeggiare piuttosto che guardare il nodo stesso.
Un team di ricercatori ha ora trovato un modo per guardare direttamente queste torsioni, un pezzo alla volta, utilizzando un computer quantistico specializzato. Hanno costruito un dispositivo con nove qubit superconduttori, che sono minuscoli circuiti che agiscono come atomi artificiali, disposti in un anello. A questo anello, hanno aggiunto una sonda centrale, creando una forma a stella dove il centro si collega a ogni punto dell'anello. I ricercatori non si sono limitati a collegare il centro all'anello con un singolo filo; hanno regolato attentamente la forza di ogni connessione in modo che variasse in un modello fluido e ondulatorio attorno al cerchio. Sintonizzando questo modello, hanno scoperto di poter far parlare la sonda centrale con un solo tipo specifico di onda che viaggia intorno all'anello, ignorando tutte le altre. Questa è una scoperta cruciale perché permette loro di isolare un singolo stato di moto senza disturbare il resto del sistema.
Una volta isolata una specifica onda, hanno lasciato che il sistema evolvesse e poi hanno misurato lo stato dei qubit sull'anello. Poiché sapevano esattamente quale onda avevano selezionato, potevano leggere la fase, o il tempo specifico, della torsione di quell'onda. Ripetendo questo processo per molte diverse onde attorno all'anello, sono stati in grado di mappare come la torsione cambiasse da un punto al successivo. Quando hanno sommato tutti questi cambiamenti, hanno potuto calcolare il numero totale di torsioni, che è l'invariante topologico. Il team ha testato questo metodo su un modello noto come modello Su-Schrieffer-Heeger, che è un modo standard per studiare queste proprietà. Hanno misurato con successo i numeri di torsione per diverse configurazioni, trovando valori di zero, uno e persino due. Un valore di due significa che l'onda ruota attorno due volte mentre percorre l'anello, una forma più complessa della singola torsione solitamente vista.
I ricercatori hanno anche testato quanto il loro metodo resistesse quando il sistema era imperfetto. Nel mondo reale, le macchine non sono mai perfette, e piccoli errori o "disordine" sono sempre presenti. Hanno intenzionalmente introdotto variazioni casuali nelle connessioni tra i qubit per simulare un ambiente disordinato. Anche con queste imperfezioni, i numeri di torsione misurati sono rimasti stabili e non sono cambiati, confermando che il metodo è robusto. Questa resilienza è esattamente ciò di cui si ha bisogno per le future tecnologie quantistiche, dove proteggere le informazioni dal rumore è essenziale. Il team ha dimostrato di poter mappare l'intero panorama di possibili forme, mostrando dove il sistema passa dall'avere nessuna torsione ad avere una o due torsioni. Hanno verificato le loro scoperte confrontando i dati sperimentali con le simulazioni al computer, e i due coincidevano perfettamente.
Questo lavoro fornisce un nuovo strumento per esplorare la geometria nascosta della materia quantistica. Invece di affidarsi a indizi indiretti o di osservare l'intero sistema che si confonde insieme, gli scienziati possono ora isolare parti specifiche del paesaggio quantistico e misurarne la forma direttamente. I ricercatori hanno dimostrato che questo approccio funziona su un dispositivo piccolo e compatto con soli nove qubit, suggerendo che potrebbe essere scalato su sistemi più grandi. Dimostrando di poter estrarre queste proprietà globali da misurazioni locali, hanno aperto una nuova strada per comprendere e utilizzare gli stati topologici. Ciò potrebbe portare, alla fine, a computer quantistici naturalmente protetti dagli errori, utilizzando proprio le proprietà del "conteggio dei buchi" che rendono il sistema così stabile. L'esperimento è una chiara dimostrazione del fatto che la matematica astratta della topologia può essere misurata direttamente in un dispositivo fisico, trasformando un concetto teorico in una realtà tangibile.
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