Resumo interno:
- Pesquisadores do Zhejiang Key Laboratory, da Universidade de Tsinghua, da QuEra Computing e outros colaboradores realizaram com sucesso o ordenamento topológico de cristais de longo prazo usando qubits supercondutores em um processador quântico programável.
- A equipe demonstrou a capacidade do sistema de quebrar equações de tradução temporal enquanto mantém a ordem topológica, uma propriedade confirmada por medições de entropia de emaranhamento topológico.
- A pesquisa mostrou que o sistema topológico de cristal de tempo é capaz de resistir a perturbações fracas, o que mostra seu potencial para aplicações de computação quântica, especialmente na correção de erros e na manutenção da coerência de qubits.
O desafio de observar e controlar fases complexas da matéria há muito fascina os pesquisadores, especialmente quando se trata de sistemas fora de equilíbrio, como os cristais do tempo. Em um novo estudo publicado em Comunicação Naturalcientistas do Laboratório Chave de Zhejiang, Universidade de Tsinghua, NIST, QuEra Computing e outros relatam a observação bem-sucedida do ordenamento topológico de cristais de longo alcance em um processador quântico usando qubits supercondutores. Usando um processador quântico programável, a equipe demonstrou a estabilidade de um cristal de tempo topologicamente ordenado – uma camada externa de matéria que desafia a simetria tradicional. Segundo a pesquisa, isso pode proporcionar mais oportunidades para explorar fases quânticas que permaneceram inacessíveis aos materiais naturais.
Ordem Tempo-Cristalina Topologicamente Ordenada – Não Ficção Científica
Na física tradicional, as fases da matéria, como líquidos ou sólidos, são frequentemente descritas usando simetrias quebradas e parâmetros de ordem local. No entanto, o ordenamento topológico introduz uma nova maneira de classificar fases com base no emaranhamento quântico de longo alcance e na resistência a perturbações locais. Esse tipo de organização, conforme observado no estudo, não depende de medições locais e tem sido tema de interesse, principalmente na área de computação quântica, pois pode auxiliar no desenvolvimento de protocolos de correção de erros.
O conceito de cristal do tempo – um estado raro da matéria que viola a simetria da tradução do tempo – é estendido neste estudo para incluir a ordem topológica, criando o que é conhecido como cristal do tempo topologicamente ordenado. Conforme observado pelos pesquisadores, esse tipo de cristal do tempo é o único que exibe comportamento de quebra de simetria apenas em objetos locais não visíveis, o que o diferencia dos cristais de tempo convencionais observados anteriormente que operam em objetos físicos locais.
Configuração quântica: Qubits supercondutores e dinâmica de código de superfície
Os experimentos foram realizados usando uma rede quadrada bidimensional de 18 qubits transmon programáveis. Segundo os pesquisadores, os qubits eram conduzidos periodicamente por uma espécie de circuito quântico projetado para simular a interação de quatro corpos – configuração que não aparece naturalmente nesses sistemas, mas fazia parte da geração da ordem topológica.
O estudo relata que os qubits exibiram uma resposta subharmônica em sua dinâmica, indicando que o sistema violou a aproximação do tempo de tradução. Os pesquisadores atribuíram esse comportamento ao código super-Hamiltoniano utilizado em seu modelo, que preservou as propriedades do sistema topológico mesmo quando sujeito a acionamentos periódicos. Esta observação foi apoiada pela medição de operadores racionais não locais e da entropia de emaranhamento topológico – uma quantidade que indica a existência de emaranhamento quântico de longo alcance.
Medindo Integração Topológica e Resistência a Interferência
A entropia de emaranhamento topológico, um símbolo de sistemas altamente ordenados, foi usada para confirmar a existência de ordem topológica no sistema de cristal do tempo. Ao otimizar um estado próprio específico do sistema quântico, a equipe conseguiu medir a entropia de emaranhamento de diferentes tamanhos do subsistema, que se desviava do valor mínimo do estado de zero. Segundo o estudo, isso fornece fortes evidências da estabilidade absoluta da classe topológica.
Os pesquisadores relataram que a entrada de entropia do sistema apresentou comportamento consistente com as previsões teóricas, com pequenos desvios devido a imperfeições experimentais como ruídos e erros de porta. Estas descobertas sugerem que, apesar dos desafios de trabalhar com dispositivos NISQ, a equipa conseguiu atingir um elevado nível de precisão nas suas medições.
Uma das características definidoras das categorias topológicas é a sua resistência à perturbação espacial. Os pesquisadores testaram isso alterando a força dos campos aleatórios aplicados aos qubits, descobrindo que a resposta subharmônica do sistema persistia mesmo sob perturbações fracas. Esta robustez, observam eles, destaca o potencial das aplicações de computação quântica, onde é fundamental manter a coerência apesar do ruído.
No entanto, este estudo também revelou que perturbações fortes eventualmente quebraram a ordem topológica, levando à perda do comportamento cristalino característico. Segundo os pesquisadores, isso mostra uma fronteira clara entre a estabilidade do estado cristalino do período pré-térmico e uma fase não topológica muito pequena.
Implicações da computação quântica
A observação de fases topologicamente cristalinas de longa duração em processadores quânticos pode ser relevante para desenvolvimentos futuros na computação quântica. Conforme destacado no estudo, essas camadas podem ser candidatas potenciais para a construção de uma memória quântica forte, um componente chave na correção de erros quânticos. Como a natureza topológica dessas camadas as torna resistentes a perturbações locais, elas podem ajudar a estender os tempos de coerência dos qubits, uma barreira atual para a tecnologia quântica.
Além disso, este experimento representa um passo à frente na realização de fases quânticas complexas que de outra forma não existiriam em equilíbrio, expandindo o kit de ferramentas disponível para simulação e computação quântica. Olhando para o futuro, os pesquisadores pretendem testar outras fases quânticas externas usando a mesma configuração. Conforme observado no artigo, um caminho interessante para pesquisas futuras envolve ordens topológicas avançadas, que podem suportar fenômenos quânticos complexos, como partículas não-Abelianas que deverão desempenhar um papel importante na computação quântica tolerante a falhas.
Esta pesquisa mostra que, embora os dispositivos quânticos atuais ainda sejam limitados por ruído e cálculos de qubit, eles ainda são capazes de revelar novas informações físicas, especialmente na área de fases de não equilíbrio. À medida que o hardware quântico continua a melhorar, experimentos como este podem fornecer uma compreensão quântica mais profunda de muitos sistemas físicos e fases topologicamente ordenadas.
Os autores que contribuíram para o estudo incluem Liang Xiang, Wenjie Jiang, Zehang Bao, Zixuan Song, Shibo Xu, Ke Wang, Jiachen Chen, Feitong Jin, Xuhao Zhu, Zitian Zhu, Fanhao Shen, Ning Wang, Chuanyu Zhang, Yaozu Wu, Yiren Zou , Jiarun Zhong, Zhengyi Cui, Aosai Zhang, Ziqi Tan, Tingting Li, Yu Gao, Jinfeng Deng, Xu Zhang, Hang Dong, Pengfei Zhang, Si Jiang, Weikang Li, Zhide Lu, Zheng-Zhi Sun, Hekang Li, Zhen Wang , Chao Song, Qiujiang Guo, Fangli Liu, Zhe-Xuan Gong, Alexey V. Gorshkov, Norman Y. Yao, Thomas Iadecola, Francisco Machado, H. Wang e Dong-Ling Deng.
