Eigenstate switching of topologically ordered states using non-Hermitian perturbations
Abstract: Topologically ordered phases have robust degenerate ground states against the local perturbations, providing a promising platform for fault-tolerant quantum computation. Despite of the non-local feature of the topological order, we find that local non-Hermitian perturbations can induce the transition between the topologically ordered ground states. In this work, we study the toric code in the presence of non-Hermitian perturbations. By controlling the non-Hermiticity, we show that non-orthogonal ground states can exhibit an eigenstate coalescence and have the spectral singularity, known as an exceptional point (EP). We explore the potential of the EPs in the control of topological order. Adiabatic encircling EPs allows for the controlled switching of eigenstates, enabling dynamic manipulation between the ground state degeneracy. Interestingly, we show a property of our scheme that arbitrary strengths of local perturbations can induce the EP and eigenstate switching. Finally, we also show the orientation-dependent behavior of non-adiabatic transitions (NAT) during the dynamic encirclement around an EP. Our work shows that control of the non-Hermiticity can serve as a promising strategy for fault-tolerant quantum information processing.
- S. Bravyi, M. B. Hastings, and F. Verstraete, Phys. Rev. Lett. 97, 050401 (2006).
- S. Bravyi, M. B. Hastings, and S. Michalakis, Journal of Mathematical Physics 51, 093512 (2010).
- X. G. Wen and Q. Niu, Phys. Rev. B 41, 9377 (1990).
- S. B. Bravyi and A. Y. Kitaev, Quantum codes on a lattice with boundary (1998), arXiv:quant-ph/9811052 [quant-ph] .
- A. Kitaev, Annals of Physics 303, 2 (2003).
- A. Kitaev and C. Laumann, Topological phases and quantum computation (2009), arXiv:0904.2771 [cond-mat.mes-hall] .
- K. J. Satzinger et al., Science 374, 1237 (2021).
- M. B. Hastings, Phys. Rev. Lett. 107, 210501 (2011).
- H.-C. Jiang, Z. Wang, and L. Balents, Nature Physics 8, 902 (2012).
- J. F. Rodriguez-Nieva and M. S. Scheurer, Nature Physics 15, 790 (2019).
- L. Cincio and G. Vidal, Phys. Rev. Lett. 110, 067208 (2013).
- C. Castelnovo and C. Chamon, Phys. Rev. B 78, 155120 (2008).
- A. Kubica and M. Vasmer, Nature Communications 13, 6272 (2022).
- S. Bravyi and J. Haah, Phys. Rev. Lett. 111, 200501 (2013).
- S. Bravyi, B. Leemhuis, and B. M. Terhal, Annals of Physics 326, 839 (2011).
- S. Vijay, T. H. Hsieh, and L. Fu, Phys. Rev. X 5, 041038 (2015).
- W. D. Heiss and A. L. Sannino, Journal of Physics A: Mathematical and General 23, 1167 (1990).
- W. D. Heiss, Journal of Physics A: Mathematical and General 37, 2455 (2004).
- W. Tang et al., Science 370, 1077 (2020).
- M.-A. Miri and A. Alù, Science 363, eaar7709 (2019).
- D. J. Luitz and F. Piazza, Phys. Rev. Res. 1, 033051 (2019).
- W. D. Heiss, Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical 45, 444016 (2012).
- K. Ding, C. Fang, and G. Ma, Nature Reviews Physics 4, 745 (2022).
- X.-L. Zhang and C. T. Chan, Communications Physics 2, 63 (2019).
- X.-L. Zhang, T. Jiang, and C. T. Chan, Light: Science & Applications 8, 88 (2019b).
- A. Mostafazadeh, Journal of Mathematical Physics 43, 205 (2002), https://pubs.aip.org/aip/jmp/article-pdf/43/1/205/7481018/205_1_online.pdf .
- E. N. Bulgakov, I. Rotter, and A. F. Sadreev, Phys. Rev. E 74, 056204 (2006).
- H. Shackleton and M. S. Scheurer, Phys. Rev. Res. 2, 033022 (2020).
- M. G. Krein, Doklady Akad. Nauk SSSR 73, 445–448 (1950).
- I. M. Gel’fand and V. B. Lidskii, Uspekhi Mat. Nauk 10, 3 (1955).
- J.-W. Ryu, J.-H. Han, and C.-H. Yi, Phys. Rev. A 106, 012218 (2022).
- M. Berry and R. Uzdin, Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical 44, 435303 (2011).
- R. Uzdin, A. Mailybaev, and N. Moiseyev, Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical 44, 435302 (2011).
- L. Landau, Physikalische Zeitschrift der Sowjetunion 2, 46 (1932).
- C. Zener, Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Containing Papers of a Mathematical and Physical Character 137, 696 (1932).
- M. H. Zarei, Phys. Rev. B 100, 125159 (2019).
Paper Prompts
Sign up for free to create and run prompts on this paper using GPT-5.
Top Community Prompts
Collections
Sign up for free to add this paper to one or more collections.