Физици за първи път успяха да изчислят топологичната ентропия на заплитане за големи квантови системи

Учени от Федералната политехническа гимназия в Лозана (EPFL) представиха нов начин за числено моделиране на топологични квантови системи. Работата им е публикувана в списание Nature Physics.

Топологичните квантови системи се различават по това, че техните свойства не зависят от локалните взаимодействия и микроскопичната структура, а от цялостната свързаност на решетката. Това прави еволюцията им във времето и дълговременните квантови корелации изключително трудни за предсказване.

Изследователите са обърнали специално внимание на квантовите спинови течности – състояния на материята, в които спиновете на частиците не са подредени дори при много ниски температури. Такива състояния привличат вниманието на физиците, тъй като се свързват с екзотични явления и потенциални приложения в квантовите изчисления.

Предишни експерименти, по-специално работата на Семеджини и колегите му през 2021 година позволиха за първи път да се наблюдава спинова течност в лаборатория. Въпреки това стандартните числени методи, използвани за анализ на експерименти върху платформи с атоми на Ридберг не отчитат редица особености на уредбите и могат да дадат некоректни сравнения.

Групата на EPFL използва подход, основан на параметризиране на квантовите състояния. Вместо да изчисляват вероятностите на всички възможни конфигурации (а за система от N спина техният брой е 2^N), изследователите кодират вълновата функция с помощта на малък брой параметри, които пряко отразяват корелациите.

Ключовият инструмент е схемата на времевия вариационен метод Монте Карло (t-VMC), който позволява да се моделира еволюцията на квантовото състояние във времето без опростявания, свързани с размера на системата или формата на решетката.

Новият метод даде възможност да се моделира протоколът върху симулатор на Ридберг, максимално близък до експеримента и същевременно да се мащабират изчисленията за големи системи. Това позволи на учените да изчислят параметри, които не са налични в реалните експерименти, като например топологичната ентропия на заплитане. Тя помага да се разграничи истинското топологично състояние от разстроеното квантово състояние.

Според авторите тяхната стратегия може да бъде използвана от други групи за изследване на динамиката на спиновите течности и други топологични състояния на материята. Сега екипът на EPFL планира да разшири техниката, за да симулира нови квантови устройства и протоколи, което може да допринесе за по-близкото разбиране на фундаменталните свойства на квантовите системи и да отвори пътя към нови приложения в квантовите технологии.