Esplorare la topologia non banale alla criticità quantistica su un processore superconduttore

Perché le fluttuazioni quantistiche contano per la tecnologia del futuro

Materiali di uso quotidiano come i magneti e i superconduttori devono i loro comportamenti insoliti a innumerevoli piccole particelle quantistiche che agiscono in concerto. I fisici hanno a lungo sfruttato questo comportamento collettivo per classificare diverse “fasi” della materia, come solidi e liquidi, o stati più esotici che conducono elettricità solo lungo i loro bordi. Questo articolo esplora un tipo particolarmente sottile di fase quantistica che si trova proprio su un punto di equilibrio tra due forme d’ordine. Utilizzando un ampio processore quantistico superconduttore, i ricercatori mostrano che anche in questo delicato punto di bilanciamento sopravvivono schemi nascosti di organizzazione che potrebbero essere sfruttati come risorsa per le tecnologie quantistiche.

Un nuovo tipo di ordine sul punto di svolta

Tradizionalmente, le fasi della materia sono distinte dal fatto che una qualche simmetria del sistema sia rotta—for esempio, quando un magnete sceglie una direzione preferita. Più recentemente, gli scienziati hanno scoperto fasi “topologiche”, in cui l’informazione cruciale non è memorizzata in alcun pattern locale ma in caratteristiche globali dello stato quantistico e del suo entanglement. Si pensa di solito che queste fasi dipendano da un gap energetico che le protegge dalle perturbazioni. Il lavoro descritto in questo articolo mette in discussione questa intuizione concentrandosi su un modello privo di gap a un punto critico quantistico speciale, dove il sistema è in bilico tra una fase ordinariamente magnetica e una fase topologica. La teoria prevede che, nonostante la mancanza di un gap, questo punto critico conservi caratteristiche robusthe ai bordi che lo distinguono da un sistema critico più convenzionale.

Costruire un anello di spin quantistici da 100 qubit

Per sondare questi effetti delicati, il gruppo utilizza un processore superconduttore flip-chip contenente 125 qubit, di cui 100 sono configurati in un anello monodimensionale. Ogni qubit può essere controllato e letto individualmente, mentre coppie di vicini sono collegate da accoppiatori regolabili che realizzano porte di entanglement precise. Invece di ingegnerizzare direttamente le interazioni many-body del modello target, i ricercatori adottano una strategia variazionale: progettano una sequenza compatta di porte quantistiche i cui angoli di rotazione regolabili vengono ottimizzati su un computer classico per sistemi piccoli. Sfruttando la struttura uniforme del modello, poi estendono questa ricetta ad anelli molto più grandi, preparando stati quantistici a bassa energia che approssimano da vicino lo stato fondamentale e il primo stato eccitato al punto critico senza dover mettere a punto un circuito da 100 qubit direttamente sul dispositivo.

Leggere schemi nascosti di entanglement

Benché questi stati preparati siano a bassa energia, non mostrano perfettamente tutte le sottili caratteristiche a lungo raggio di un sistema infinito ideale. Per rivelare la struttura sottostante, gli autori ricorrono a una tecnica chiamata tomografia dell’Hamiltoniana di entanglement. Misurano ripetutamente diversi segmenti dell’anello a 100 qubit in molti modi accuratamente scelti, quindi usano l’ottimizzazione classica per ricostruire un “Hamiltoniano di entanglement” efficace che cattura come ciascun segmento è collegato quantisticamente al resto del sistema. Da questo oggetto ricostruito possono calcolare firme standard del comportamento critico, come il modo in cui le correlazioni tra spin decadono con la distanza e come l’entropia di entanglement di un blocco cresce con la sua dimensione. I numeri estratti corrispondono alle aspettative teoriche per la stessa classe di universalità del ben noto modello di Ising, confermando che l’esperimento ha effettivamente raggiunto il regime critico quantistico desiderato.

Scoprire modi simili a bordi senza bordi reali

I risultati più sorprendenti emergono dall’esame dello spettro di entanglement, una visione raffinata di come l’informazione quantistica in un sottosistema sia organizzata. La teoria prevede che, per questo particolare modello critico, lo spettro di entanglement debba mostrare una robusta degenerazione a due a due associata a modi emergenti ai bordi, nonostante il sistema fisico sia un anello chiuso senza confini reali. Utilizzando le matrici densità ricostruite, i ricercatori calcolano questo spettro per segmenti di varie lunghezze e osservano la struttura a coppie prevista nei livelli più bassi in tutto il campione. Man mano che i segmenti crescono, il pattern si affina in una disposizione a torre caratteristica delle teorie di campo conforme, rivelando una profonda connessione tra il comportamento critico del bulk e caratteristiche simili a bordo codificate solo nell’entanglement.

Cosa significa per la materia quantistica e le macchine quantistiche

In termini semplici, lo studio mostra che certi tipi di ordine topologico possono sopravvivere proprio al limite di una transizione di fase, in sistemi privi del solito gap energetico protettivo. Preparando in modo ingegnoso stati accessibili a bassa energia su un processore quantistico programmabile ma rumoroso, e poi usando ricostruzioni basate sull’entanglement per “vedere attraverso” le imperfezioni sperimentali, gli autori forniscono prove sperimentali che questi stati critici ospitano modi quantistici nascosti simili a bordi. Ciò suggerisce che i futuri simulatori quantistici non devono sempre raggiungere stati fondamentali impeccabili per rivelare fisica ricca: stati a bassa energia scelti con cura, combinati con strumenti di analisi intelligenti, possono già codificare l’informazione universale essenziale sulle fasi quantistiche esotiche e le loro transizioni.

Citazione: 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

Parole chiave: transizioni di fase quantistiche, ordine topologico, spettro di entanglement, qubit superconduttori, simulazione quantistica