Observation of a topological edge state among localized bulk states in the anisotropic quantum Rabi model

In de wereld van de kwantumfysica zoeken wetenschappers vaak naar speciale materietoestanden die worden beschermd door de onderliggende regels van symmetrie. Stel je een materiaal voor waarin elektriciteit alleen langs de randen stroomt, terwijl het binnenste volledig stil blijft. Deze "randtoestanden" zijn robuust; ze kunnen oneffenheden en imperfecties overleven die gewone stromen zouden vernietigen. Dit fenomeen, bekend als topologie, rust meestal op een herhalend patroon, zoals de regelmatige tegels op een vloer, om deze beschermde paden te creëren. Echter, de natuur is niet altijd zo ordelijk. In systemen waar dit herhalende patroon wordt doorbroken of ontbreekt, faalt de gebruikelijke manier om deze randtoestanden te vinden. Als het hele systeem ongeordend is, kunnen zowel de randtoestanden als de gewone toestanden binnen het materiaal in dezelfde plek vast komen te zitten, waardoor ze er louter door naar hun locatie te kijken identiek uitzien. De uitdaging voor natuurkundigen is geweest om een manier te vinden om ze van elkaar te onderscheiden wanneer ze beiden in dezelfde plek gevangen zitten.

Een team van onderzoekers heeft dit puzzelstuk nu opgelost door in een laboratorium een nieuw soort kwantumsysteem te creëren en een speciale randtoestand te observeren die zichzelf onthult via zijn interne structuur in plaats van zijn locatie. Met behulp van een kwantumsimulator gebouwd uit gevangen ionen — kleine geladen atomen die op hun plaats worden gehouden door elektrische velden — hebben de wetenschappers een model gerecreëerd dat bekend staat als het anisotrope Rabi-model. In deze opstelling fungeren de atomen als een synthetisch rooster, een raster van punten waar kwantumdeeltjes tussen kunnen springen. In tegen tegenstelling tot een standaard rooster waar de verbindingen tussen de punten allemaal gelijk zijn, worden de verbindingen in dit experiment sterker naarmate men verder naar buiten beweegt, waardoor het gebruikelijke herhalende patroon wordt doorbroken. Ondanks deze wanorde slaagden de onderzoekers erin een specifieke kwantumtoestand voor te bereiden die zich aan de rand van het systeem bevindt. Ze ontdekten dat hoewel deze toestand net zo op zijn plaats vastgezet leek als de gewone toestanden eromheen, deze een unieke interne vingerafdruk bezat: een duidelijke handigheid en een volledige scheiding tussen de spin- en bewegingscomponenten.

Het experiment werd uitgevoerd met een keten van twee ytterbium-ionen, waarbij één ion diende als de hoofdrolspeler en het andere als een getuige om de resultaten te meten. De wetenschappers manipuleerden de interacties tussen de interne spin van het ion en de fysieke beweging met behulp van zorgvuldig afgestemde laserstralen. Door de sterkte van deze interacties langzaam aan te passen, stuurden ze het systeem naar een specifieke energietoestand. In de topologische fase die zij creëerden, ontstond een speciale nul-energietoestand. De onderzoekers vergeleken deze toestand met verschillende gewone toestanden die ook in het systeem bestonden. Wanneer zij keken naar waar de deeltjes waarschijnlijk te vinden waren, leken zowel de speciale randtoestand als de gewone toestanden gelokaliseerd, of vastgezet, nabij het begin van de keten. Dit bevestigde dat het simpelweg kijken naar de positie van de deeltjes niet voldoende was om de topologische toestand te onderscheiden van de rest.

Om het verschil te vinden, onderzochten het team de interne eigenschappen van de toestanden. Ze maten een eigenschap genaamd chiraliteit, die een soort handigheid of richting in het kwantumsysteem beschrijft. De speciale randtoestand vertoonde een zeer duidelijke, consistente handigheid en gedroeg zich bijna volledig als een rechtshandige toestand. In tegenstelling hiertoe waren de gewone bulktoestanden een rommelige mix van zowel links als rechts, wat gemiddeld geen duidelijke richting opleverde. Bovendien keken de onderzoekers naar hoe de spin en de beweging van het ion aan elkaar gekoppeld waren. In de gewone toestanden waren de spin en de beweging diep verstrengeld, wat betekent dat de toestand van de één niet beschreven kon worden zonder de ander. Echter, de speciale randtoestand was opmerkelijk zuiver; de spin en de beweging waren bijna volledig gescheiden, alsof ze twee onafhankelijke objecten waren die toevallig op dezelfde plek aanwezig waren.

De onderzoek heeft dieper ingegaan op het bewegingsgedeelte van de speciale toestand. Met behulp van een techniek genaamd fase-ruimte tomografie, die de kwantumtoestand in kaart brengt op een manier die vergelijkbaar is met het maken van een foto van een golf, ontdekte het team dat de bewegingscomponent van de randtoestand een "geperste vacuüm" (squeezed vacuum) was. Dit is een hoogst niet-klassieke toestand waarbij de onzekerheid in één aspect van de beweging wordt verminderd onder de standaardlimiet, terwijl de onzekerheid in het andere aspect toeneemt. De onderzoekers maten deze perzing (squeezing) tot een waarde van maar liefst 6,45 decibel, een aanzienlijke hoeveelheid die bevestigt dat de toestand ver van gewoon is. Naarmate zij de sterkte van de interactie verhoogden, werd de perzing prominenter, wat overeenkwam met theoretische voorspellingen totdat het systeem te luidruchtig werd om de perfecte toestand te behouden.

Deze bevindingen demonstreren dat zelfs in een systeem zonder een herhalend patroon, topologische randtoestanden kunnen bestaan en geïdentificeerd kunnen worden. De sleutel is niet om te kijken naar waar de toestand zich bevindt, maar om te kijken waar de toestand uit bestaat. Door de unieke handigheid en de scheiding van de onderdelen te identificeren, bewezen de onderzoekers dat de topologische aard van de toestand de wanorde overleeft. Dit werk vestigt een nieuwe manier om topologische fenomenen te onderzoeken, waarbij wordt aangetoond dat de interne structuur van een kwantumtoestand als een betrouwbaar kenmerk kan dienen, zelfs wanneer de toestand verborgen is tussen andere gelokaliseerde toestanden. Het vermogen om deze toestanden in een gecontroleerde omgeving te creëren en te karakteriseren, opent de deur naar het verkennen van complexere topologische modellen en potentieel het ontwikkelen van nieuwe methoden voor robuuste kwantuminformatieverwerking.