Investigadores de la Universidad Nacional de Singapur (NUS) han simulado con éxito redes topológicas de alto orden (HOT) con una precisión sin precedentes utilizando computadoras cuánticas digitales. Estas complejas estructuras reticulares pueden ayudarnos a crear materiales cuánticos avanzados con fuertes estados cuánticos que son muy buscados en diversas aplicaciones tecnológicas.
El estudio de los estados topológicos de la materia y sus homólogos calientes ha atraído considerable atención entre físicos e ingenieros. Este ferviente interés surge del descubrimiento de aislantes topológicos (materiales que conducen electricidad sólo en sus superficies o bordes) mientras sus interiores siguen siendo aislantes. Debido a las propiedades matemáticas únicas de la topología, los electrones que fluyen a lo largo de los bordes no se ven obstaculizados por ningún defecto o distorsión presente en el material. Por lo tanto, los dispositivos fabricados con tales materiales topológicos tienen un gran potencial para tecnologías de transporte o transmisión de señales más robustas.
Utilizando interacciones cuánticas de muchos cuerpos, un equipo de investigadores dirigido por el profesor asistente Lee Ching Hua del Departamento de Física de la Facultad de Ciencias de NUS ha desarrollado un método escalable para codificar redes HOT grandes y de alta dimensión representativas de materiales topológicos reales. Cadenas de espín simples que existen en las computadoras cuánticas digitales actuales. Su enfoque facilita la cantidad exponencial de información que se puede almacenar utilizando qubits de computadoras cuánticas al tiempo que reduce la necesidad de recursos de computación cuántica de una manera resistente al ruido. Este avance abre una nueva dirección en la simulación de materiales cuánticos avanzados utilizando ordenadores cuánticos digitales, lo que abre nuevas posibilidades en la ingeniería de materiales topológicos.
Los resultados de este estudio han sido publicados en la revista comunicación de la naturaleza.
“Los estudios innovadores existentes sobre instalaciones cuánticas se limitan a problemas de utilidad muy específicos. Encontrar nuevas aplicaciones para las cuales las computadoras cuánticas ofrezcan ventajas únicas es la motivación central de nuestro trabajo”, dijo el profesor asistente Li.
“Nuestro enfoque nos permite explorar las firmas complejas de materiales topológicos en computadoras cuánticas con un nivel de precisión antes inalcanzable, incluso para materiales hipotéticos que existen en cuatro dimensiones”, añadió el profesor asistente Lee.
A pesar de las limitaciones de los dispositivos cuánticos ruidosos de escala intermedia (NISQ) actuales, el equipo ha podido medir la dinámica del estado topológico y proteger los espectros de intervalo medio con una precisión sin precedentes con redes topológicas de alto orden para mejorar las técnicas de mitigación de errores intrínsecos. Este avance demuestra el potencial de las tecnologías cuánticas actuales para explorar nuevas fronteras en la ingeniería de materiales. La capacidad de simular redes HOT de alta dimensión abre nuevas direcciones de investigación en materiales cuánticos y estados topológicos, lo que sugiere un posible camino para lograr verdaderas instalaciones cuánticas en el futuro.