Misurare la topologia del bulk di ordine superiore in un simulatore quantistico programmabile

Abstract degli autori

Gli isolanti topologici non rientrano nel paradigma standard di Landau: invece di essere caratterizzati da parametri d’ordine locali e dalla rottura spontanea della simmetria, le loro proprietà distintive sono codificate nella struttura globale dei loro stati quantistici e si manifestano sotto forma di stati di bordo robusti. Gli isolanti topologici cristallini di ordine superiore possono estendere questo principio ospitando modi localizzati agli angoli in due o più dimensioni. Sebbene questi modi di bordo possano essere rilevati spettroscopicamente attraverso la densità locale degli stati, determinare la topologia sottostante del bulk, per esempio mediante loop di Wilson annidati, resta una sfida sperimentale ancora aperta. Qui utilizziamo fino a 728 qubit in un simulatore quantistico analogico-digitale superconduttivo per realizzare e sondare una gerarchia di isolanti topologici unidimensionali, bidimensionali e tridimensionali, governati da Hamiltoniane efficaci di tipo tight-binding. Ricostruendo propagatori complessi a partire da misurazioni nello spazio reale, otteniamo caratterizzazioni complementari del bordo e del bulk: le densità locali degli stati rivelano modi di bordo localizzati, mentre i proiettori di banda ricostruiti sperimentalmente forniscono invarianti topologici del bulk, culminando nell’estrazione di un momento ottupolare tridimensionale mediante loop di Wilson annidati di terzo ordine. Questi risultati delineano una via per realizzare, caratterizzare e manipolare stati protetti topologicamente nella materia quantistica tridimensionale programmabile.