Niet-trivalle topologie verkennen bij kwantumkriticiteit op een supergeleidend processor

Waarom kwantumfluctuaties belangrijk zijn voor toekomstige technologie

Alledaagse materialen zoals magneten en supergeleiders danken hun vreemde eigenschappen aan talloze kleine kwantumdeeltjes die samen handelen. Fysici gebruiken dit collectieve gedrag al lang om verschillende “fasen” van materie te classificeren, zoals vaste stoffen en vloeistoffen, of meer exotische toestanden die elektriciteit alleen langs hun randen geleiden. Dit artikel onderzoekt een bijzonder subtiel type kwantumfase dat precies op een kantelpunt tussen twee vormen van ordening zit. Met een grote supergeleidende kwantumprocessor laten de onderzoekers zien dat, zelfs op dit kwetsbare evenwichtspunt, verborgen organisatiepatronen overleven en mogelijk als hulpbron voor kwantumtechnologieën kunnen worden benut.

Een nieuw soort orde op het kantelpunt

Traditioneel worden fasen van materie onderscheiden door de vraag of een bepaalde symmetrie van het systeem wordt verbroken—bijvoorbeeld wanneer een magneet een voorkeursrichting kiest. Recente ontdekkingen lieten zien dat er ook “topologische” fasen bestaan, waarbij de cruciale informatie niet in lokale patronen zit maar in globale eigenschappen van de kwantumtoestand en haar verstrengeling. Men ging er meestal van uit dat zulke fasen afhankelijk zijn van een energiegap die ze beschermt tegen verstoringen. Het werk in dit artikel daagt die intuïtie uit door te focussen op een model dat bij een speciaal kwantumkritisch punt geen gap heeft, waar het systeem tussen een gewone magnetisch geordende fase en een topologische fase in balanceert. De theorie voorspelt dat, ondanks het ontbreken van een gap, dit kritische punt robuuste randkenmerken behoudt die het onderscheiden van een meer conventioneel kritiek systeem.

Opbouwen van een 100-qubit kwantumspinring

Om deze delicate effecten te onderzoeken gebruikt het team een flip-chip supergeleidende processor met 125 qubits, waarvan er 100 zijn geconfigureerd als een eendimensionale ring. Elke qubit kan afzonderlijk worden aangestuurd en uitgelezen, terwijl burenparen zijn gekoppeld door afstembare koppelaars die precieze verstrengelingspoorten uitvoeren. In plaats van de volledige veeldeeltjesinteracties van het doelmodel direct te construeren, kiezen de onderzoekers een variatiestrategie: ze ontwerpen een compacte reeks kwantumpoorten waarvan de instelbare rotatiehoeken op een klassieke computer worden geoptimaliseerd voor kleine systemen. Door gebruik te maken van de uniforme structuur van het model extrapoleren ze dit recept vervolgens naar veel grotere ringen en bereiden ze laag-energietoestanden die dicht de grondtoestand en de eerste aangeslagen toestand bij het kritieke punt benaderen, zonder dat het nodig is een 100-qubit-circuit op het apparaat zelf nauwkeurig af te stemmen.

Verborgen verstrengelingspatronen uitlezen

Hoewel deze geprepareerde toestanden zeer laag in energie zijn, tonen ze niet perfect alle subtiele langafstandseigenschappen van een ideaal oneindig systeem. Om de onderliggende structuur zichtbaar te maken, wenden de auteurs zich tot een techniek die verstrengelings-Hamiltoniantomografie wordt genoemd. Ze meten herhaaldelijk verschillende segmenten van de 100-qubit-ring op veel zorgvuldig gekozen manieren en gebruiken vervolgens klassieke optimalisatie om een effectief “verstrengelings-Hamiltoniaan” te reconstrueren dat vastlegt hoe elk segment kwantummechanisch verbonden is met de rest van het systeem. Vanuit dit gereconstrueerde object kunnen ze standaardkenmerken van kritisch gedrag berekenen, zoals hoe correlaties tussen spins met afstand vervallen en hoe de verstrengelingsentropie van een blok met zijn grootte groeit. De geëxtraheerde waarden komen overeen met theoretische verwachtingen voor dezelfde universaliteitsklasse als het bekende Ising-model, wat bevestigt dat het experiment inderdaad het beoogde kwantumkritische regime heeft bereikt.

Randachtige modi onthullen zonder fysieke randen

De meest opvallende resultaten komen voort uit het onderzoeken van het verstrengelingsspectrum, een verfijnde weergave van hoe de kwantuminformatie in een subsysteem is georganiseerd. De theorie voorspelt dat voor dit specifieke kritische model het verstrengelingsspectrum een robuuste tweevoudige degeneratie moet vertonen die samenhangt met emergente randmodi, ook al is het fysieke systeem een gesloten ring zonder echte grenzen. Met hun gereconstrueerde dichtheidsmatrices berekenen de onderzoekers dit spectrum voor segmenten van verschillende lengtes en observeren ze de verwachte parenstructuur in de laagste niveaus in alle gevallen. Naarmate de segmenten groter worden, verscherpt het patroon zich tot een torenachtige rangschikking die kenmerkend is voor conformele veldentheorieën, en onthult zo een diepe verbinding tussen bulk-kritisch gedrag en randachtige eigenschappen die uitsluitend in verstrengeling zijn gecodeerd.

Wat dit betekent voor kwantummaterie en kwantummachines

Kort gezegd toont de studie aan dat bepaalde vormen van topologische orde zelfs precies op de rand van een faseovergang kunnen overleven, in systemen zonder de gebruikelijke beschermende energiegap. Door op slimme wijze toegankelijke laaggelegen toestanden voor te bereiden op een lawaaierige maar programmeerbare kwantumprocessor, en vervolgens verstrengelingsgebaseerde reconstructie te gebruiken om door experimentele imperfecties heen te kijken, leveren de auteurs experimenteel bewijs dat deze kritische toestanden verborgen, randachtige kwantummodi herbergen. Dit suggereert dat toekomstige kwantumsimulatoren niet altijd zuivere grondtoestanden hoeven te bereiken om rijke fysica te onthullen: zorgvuldig gekozen laag-energietoestanden, gecombineerd met slimme analysetools, kunnen al de essentiële universele informatie over exotische kwantumfasen en hun overgangen bevatten.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: kwantumfaseovergangen, topologische orde, verstrengelingsspectrum, supergeleidende qubits, kwantumsimulatie