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

In de kwantumwereld kan materie zichzelf organiseren in vormen die niet worden bepaald door de rangschikking van atomen, maar door de onzichtbare, verstrengelde verbindingen tussen hen. Dit worden topologische fasen genoemd, en ze zijn opmerkelijk robuust; je kunt het materiaal rekken, draaien of laten trillen, en de fundamentele aard blijft onveranderd. Decennialang hebben wetenschappers deze vormen bestudeerd in perfecte, geïsoleerde systemen waar de kwantumtoestand puur en onbevlekt is. In deze ideale omgevingen rust de stabiliteit van de vorm op een strikte regel: een symmetrie. Denk aan deze symmetrie als een wet die het systeem op elk moment moet naleven, wat ervoor zorgt dat de randen van het materiaal op een specifieke, beschermde manier gedragen. De echte wereld is echter zelden perfect. Kwantumsystemen worden constant gebombardeerd door hun omgeving, wat leidt tot een verlies van informatie dat bekend staat als decoherentie. Deze ruis verandert een pure, scherpe kwantumtoestand in een rommelige mix van mogelijkheden. Lange tijd geloofden natuurkundigen dat deze rommeligheid de delicate topologische vormen zou vernietigen en de zeer symmetrieën die hen bij elkaar hielden, zou wegwassen. De heersende opvatting was dat zodra een systeem een gemengde, ruizige ensemble werd, de speciale topologische eigenschappen zouden verdwijnen, waardoor slechts een triviale, oninteressante toestand overbleef.

Een team van onderzoekers heeft deze aanname nu uitgedaagd door aan te tonen dat ruis, wanneer zorgvuldig gecontroleerd, feitelijk een nieuw soort topologische orde kan creëren. Door gebruik te maken van programmeerbare kwantumprocessors, lieten zij zien dat zelfs wanneer een systeem wordt onderworpen aan decoherentie, een vorm van symmetrie kan overleven, niet in elke individuele instantie, maar gemiddeld. Ze begonnen met een eendimensionale keten van kwantumbits, gerangschikt in een specifiek patroon dat bekend staat als een clusterstaat, die beroemd is om zijn beschermde randen. Vervolgens introduceerden ze een specifiek type ruis: een willekeurige omkering van de kwantumtoestand op elke andere verbinding in de keten. In een enkele uitvoering van het experiment verstoorde deze ruis het systeem en vernietigde het de strikte symmetrie die de vorm gewoonlijk beschermt. Echter, wanneer de onderzoekers naar de resultaten van duizenden van deze uitvoeringen gecombineerd keken, kwam er een verrassend patroon naar voren. De symmetrie was niet verdwenen; ze had simpelweg van aard veranderd. In plaats van een rigide wet die voor elk moment gold, werd het een gemiddelde wet die alleen standhield wanneer de verschillende ruizige uitkomsten werden samengevoegd. Deze nieuwe toestand, die de onderzoekers een gemiddelde symmetrie-beschermde topologische fase noemen, bewees dat de topologische structuur nog steeds aanwezig was, gecodeerd in de statistische mix van het systeem, ook al was deze onzichtbaar als men naar een enkele ruizige snapshot keek.

Om dit te bewijzen, moesten het team een nieuwe manier uitvinden om naar de gegevens te kijken. Standaardmetingen, die het systeem eenmalig observeren en het resultaat registreren, faalden omdat de ruis de signalen liet tegen elkaar wegvallen. Het was als het proberen te horen van een melodie door naar duizend verschillende mensen te luisteren die het nummer zingen met telkens een iets andere timing en toonhoogte; het geluid zou slechts een verwarrende brom zijn. Om door deze verwarring heen te snijden, gebruikten de onderzoekers een techniek waarbij ze twee identieke kopieën van het ruizige systeem tegelijkertijd voorbereidden. Door deze twee kopieën op een specifieke manier te vergelijken, konden ze de willekeurige ruis wegfilteren en de onderliggende structuur onthullen die verborgen lag in het gemiddelde. Ze maten een eigenschap genaamd een string-correlatie, die fungeert als een lang reikende draad die de uiteinden van de keten verbindt. In een enkele kopie leek deze draad te breken en te vervagen naarmate de ruis toenam. Maar wanneer ze de methode met twee kopieën gebruikten, bleef de draad sterk en intact, wat bewees dat de topologische orde de ruis had overleefd. Dit was een directe observatie van een nieuwe soort kwantummaterie die alleen bestaat in het domein van gemengde toestanden, waar de orde wordt gedefinieerd door het collectieve gedrag van vele mogelijkheden in plaats van door een enkele, perfecte realiteit.

De onderzoekers onderzochten ook de interne energiestructuur van het systeem om te zien hoe de ruis het kwantumlandschap hervormde. Ze ontdekten dat hoewel de ruis de verdeling van energieniveaus veranderde, het niet de karakteristieke koppeling van toestanden vernietigde die de aanwezigheid van beschermde randen signaleert. In een perfect systeem komen deze randtoestanden in paren voor, een kenmerk van de topologische bescherming. Wanneer de ruis werd geïntroduceerd, verloor het systeem deze koppeling niet; in plaats daarvan verschoof de ruis simpelweg het gewicht van het systeem naar verschillende sectoren, waardoor een complexer patroon ontstond waarin de gekoppelde structuur zichtbaar bleef binnen elke sectie. Dit bevestigde dat de topologische bescherming robuust genoeg was om de geëngineerde decoherentie te weerstaan. Het experiment werd uitgevoerd op kwanthardware met ketens van tot wel veertig kwantumbits, en de resultaten kwamen met hoge precisie overeen met de theoretische voorspellingen. Het team demonstreerde dat ze, door de ruis zorgvuldig te manipuleren, een systeem konden transformeren van het hebben van een strikte, sterke symmetrie naar het hebben van een zwakkere, gemiddelde symmetrie, zonder de topologische orde te verliezen die het systeem bijzonder maakt.

Dit werk opent een nieuwe deur voor het begrijpen van hoe kwantummaterie zich gedraagt in de echte, ruisige wereld. Het suggereert dat we niet alle ruis hoeven te elimineren om kwantumeigenschappen te behouden; in plaats daarvan kunnen we ruis mogelijk inzetten als een hulpbron. Door systemen te ontwerpen waarbij de topologische orde wordt beschermd door gemiddelde symmetrieën, zouden we meer veerkrachtige kwantummaterialen kunnen creëren die geen onmogelijke condities van perfecte isolatie vereisen. De studie biedt een duidelijk pad om huidige kwantumprocessors te gebruiken om deze gemengde-toestandfasen te verkennen, en laat zien dat de rommelige, decoherente aard van de echte wereld niet noodzakelijkerwijs het einde betekent van de kwantumorde. In plaats daarvan onthult het een rijker landschap waar orde kan ontstaan uit het gemiddelde van vele chaotische trajecten, wat een nieuw perspectief biedt op hoe we de kwantumtechnologieën van de toekomst kunnen bouwen en beschermen.