Erforschung nichttrivialer Topologie an einem Quantenkritikalitätspunkt auf einem supraleitenden Prozessor

Warum Quantenfluktuationen für zukünftige Technologien wichtig sind

Alltägliche Materialien wie Magnete und Supraleiter verdanken ihr ungewöhnliches Verhalten zahllosen winzigen Quantenpartikeln, die zusammenwirken. Physiker nutzen dieses kollektive Verhalten seit langem, um verschiedene „Phasen“ der Materie zu klassifizieren, etwa Festkörper und Flüssigkeiten oder exotischere Zustände, die Strom nur an ihren Kanten leiten. Dieser Artikel untersucht eine besonders subtile Art von Quantenzustand, der genau an einem Wendepunkt zwischen zwei Ordnungsformen liegt. Mit einem großen supraleitenden Quantenprozessor zeigen die Forscher, dass selbst an diesem empfindlichen Gleichgewichtspunkt verborgene Organisationsmuster erhalten bleiben und als Ressource für Quantentechnologien nutzbar sein könnten.

Eine neue Art von Ordnung am Wendepunkt

Traditionell werden Materiephasen danach unterschieden, ob eine Symmetrie des Systems gebrochen ist – etwa wenn ein Magnet eine bevorzugte Richtung annimmt. Neuerdings entdeckten Wissenschaftler „topologische“ Phasen, bei denen die entscheidenden Informationen nicht in lokalen Mustern, sondern in globalen Merkmalen des Quantenzustands und seiner Verschränkung gespeichert sind. Man nimmt üblicherweise an, dass diese Phasen auf einer Energielücke beruhen, die sie vor Störungen schützt. Die hier beschriebene Arbeit stellt diese Intuition in Frage, indem sie sich auf ein Modell konzentriert, das an einem speziellen quantenkritischen Punkt lückenlos (gapless) ist und zwischen einer gewöhnlich magnetisch geordneten Phase und einer topologischen Phase liegt. Die Theorie sagt voraus, dass dieser kritische Punkt trotz des Fehlens einer Lücke robuste Randmerkmale aufweist, die ihn von einem konventionelleren kritischen System unterscheiden.

Aufbau eines 100-Qubit-Quantenspinrings

Um diese feinen Effekte zu untersuchen, verwendet das Team einen Flip-Chip-Supraleitungsprozessor mit 125 Qubits, von denen 100 zu einem eindimensionalen Ring konfiguriert sind. Jedes Qubit kann einzeln gesteuert und ausgelesen werden, während benachbarte Paare durch einstellbare Koppler verbunden sind, die präzise Verschränkungsoperationen realisieren. Statt die vollständigen Vielteilchenwechselwirkungen des Zielmodells direkt auf der Hardware zu implementieren, verfolgen die Forscher eine variationale Strategie: Sie entwerfen eine kompakte Folge von Quantengattern, deren verstellbare Rotationswinkel auf einem klassischen Computer für kleine Systeme optimiert werden. Ausgehend von der gleichförmigen Struktur des Modells übertragen sie dieses Rezept dann auf deutlich größere Ringe und bereiten niederenergetische Quantenzustände vor, die den Grundzustand und den ersten angeregten Zustand am kritischen Punkt gut approximieren, ohne einen 100-Qubit-Schaltkreis auf dem Gerät selbst feinabstimmen zu müssen.

Auslesen verborgener Verschränkungsmuster

Obwohl diese vorbereiteten Zustände sehr niedrige Energien haben, zeigen sie nicht perfekt alle subtilen Langstreckenmerkmale eines idealen unendlichen Systems. Um die zugrunde liegende Struktur aufzudecken, wenden die Autor:innen eine Technik namens Tomographie der Verschränkungs-Hamiltonian an. Sie messen wiederholt verschiedene Segmente des 100-Qubit-Rings auf viele sorgfältig gewählte Arten und verwenden dann klassische Optimierung, um einen effektiven „Verschränkungs-Hamiltonian“ zu rekonstruieren, der erfasst, wie jedes Segment quantenmechanisch mit dem Rest des Systems verknüpft ist. Aus diesem rekonstruierten Objekt können sie standardisierte Merkmale kritischen Verhaltens berechnen, etwa wie Korrelationen zwischen Spins mit der Distanz abklingen und wie die Verschränkungsentropie eines Blocks mit dessen Größe wächst. Die gewonnenen Zahlen stimmen mit den theoretischen Erwartungen für dieselbe Universitätsklasse wie das bekannte Ising-Modell überein und bestätigen, dass das Experiment tatsächlich das beabsichtigte quantenkritische Regime erreicht hat.

Aufspüren randähnlicher Modi ohne reale Ränder

Die eindrücklichsten Ergebnisse ergeben sich aus der Untersuchung des Verschränkungsspektrums, das einen verfeinerten Blick darauf bietet, wie die Quanteninformation in einem Untersystem organisiert ist. Theoretisch sagt man für dieses spezielle kritische Modell voraus, dass das Verschränkungsspektrum eine robuste zweifache Entartung zeigen sollte, die mit emergenten Randmoden verbunden ist, obwohl das physikalische System ein geschlossener Ring ohne echte Grenzen ist. Mit ihren rekonstruierten Dichtematrizen berechnen die Forschenden dieses Spektrum für Segmente unterschiedlicher Länge und beobachten die erwartete paarweise Struktur in den niedrigsten Niveaus durchweg. Mit wachsender Segmentgröße schärft sich das Muster zu einer turmähnlichen Anordnung, wie sie für konforme Feldtheorien charakteristisch ist, und offenbart eine tiefe Verbindung zwischen kritischem Verhalten im Volumen und randähnlichen Merkmalen, die allein in der Verschränkung kodiert sind.

Was das für Quantenmaterie und Quantenmaschinen bedeutet

Einfach ausgedrückt zeigt die Studie, dass bestimmte Formen topologischer Ordnung genau am Rand eines Phasenübergangs überleben können, selbst in Systemen ohne die übliche schützende Energielücke. Indem sie zugängliche niederenergetische Zustände auf einem verrauschten, aber programmierbaren Quantenprozessor geschickt vorbereiten und anschließend verschränkungsbasierte Rekonstruktion nutzen, um experimentelle Unvollkommenheiten zu „durchschauen“, liefern die Autor:innen experimentelle Hinweise darauf, dass diese kritischen Zustände verborgene, randähnliche Quantenmoden beherbergen. Das legt nahe, dass künftige Quantensimulatoren nicht immer perfekte Grundzustände erreichen müssen, um reichhaltige Physik zu zeigen: Sorgfältig gewählte niederenergetische Zustände, kombiniert mit intelligenten Analysetools, können bereits die wesentlichen universellen Informationen über exotische Quantenphasen und ihre Übergänge kodieren.

Zitation: Tan, Z., Wang, K., Yang, S. et al. Exploring nontrivial topology at quantum criticality on a superconducting processor. Commun Phys 9, 136 (2026). https://doi.org/10.1038/s42005-026-02569-9

Schlüsselwörter: Quant Phasenübergänge, topologische Ordnung, Verschränkungsspektrum, supraleitende Qubits, Quanten-Simulation