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Dynamical topological phase realized in a trapped-ion quantum simulator

量子位元 物理 量子纠缠 量子计算机 拓扑(电路) 量子 量子模拟器 量子相 量子力学 统计物理学 理论物理学 量子相变 数学 组合数学
作者
Philipp T. Dumitrescu,Justin Bohnet,John Gaebler,Aaron Hankin,David Hayes,Ajesh Kumar,Brian Neyenhuis,Romain Vasseur,Andrew C. Potter
出处
期刊:Nature [Nature Portfolio]
卷期号:607 (7919): 463-467 被引量:56
标识
DOI:10.1038/s41586-022-04853-4
摘要

Nascent platforms for programmable quantum simulation offer unprecedented access to new regimes of far-from-equilibrium quantum many-body dynamics in (approximately) isolated systems. Here, achieving precise control over quantum many-body entanglement is an essential task for quantum sensing and computation. Extensive theoretical work suggests that these capabilities can enable dynamical phases and critical phenomena that exhibit topologically-robust methods to create, protect, and manipulate quantum entanglement that self-correct against large classes of errors. However, to date, experimental realizations have been confined to classical (non-entangled) symmetry-breaking orders. In this work, we demonstrate an emergent dynamical symmetry protected topological phase (EDSPT), in a quasiperiodically-driven array of ten $^{171}\text{Yb}^+$ hyperfine qubits in Honeywell's System Model H1 trapped-ion quantum processor. This phase exhibits edge qubits that are dynamically protected from control errors, cross-talk, and stray fields. Crucially, this edge protection relies purely on emergent dynamical symmetries that are absolutely stable to generic coherent perturbations. This property is special to quasiperiodically driven systems: as we demonstrate, the analogous edge states of a periodically driven qubit-array are vulnerable to symmetry-breaking errors and quickly decohere. Our work paves the way for implementation of more complex dynamical topological orders that would enable error-resilient techniques to manipulate quantum information.

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