Ukonventionelle kvantesystemer kan føre til nye optiske enheder

(Phys.org) – Fysikere har eksperimentelt demonstreret et optisk system baseret på en ukonventionel klasse af kvantemekaniske systemer, der kunne føre til udviklingen af ​​nye kvanteoptiske enheder. Systemet kaldes en "PT-symmetrisk kvantevandring, "da det består af enkelte fotoner, der optager en superposition af tilstande, kaldet kvantevandringer, som adlyder paritets-tidssymmetri (PT) - den egenskab, hvor et systems koordinater i rum og tid kan få deres fortegn vendt uden iboende at ændre systemet.

Fysikerne, ledet af Peng Xue ved Southeast University i Nanjing, har udgivet et papir om de PT-symmetriske kvantevandringer i et nyligt nummer af Naturfysik .

"Vi præsenterer et eksperimentelt arbejde, der binder tre koncepter sammen - ikke-enhedsmæssige kvantevandringer på et enkelt-foton-niveau, PT symmetri, og topologiske kanttilstande, der stammer fra Floquet-topologiske faser, " fortalte Xue Phys.org . "Hvert af disse tre begreber har tiltrukket sig stor opmærksomhed i de seneste år i det videnskabelige samfund. Samspillet mellem disse elementer i vores eksperimentelle system vil uden tvivl give anledning til rig fysik."

De nye resultater bygger på opdagelser gjort i løbet af de sidste 20 år vedrørende en ny klasse af kvantesystemer kaldet ikke-Hermitian Hamiltonians, der afviger fra konventionelle kvantesystemer. Generelt, Hamiltonian af et kvantesystem, som er et mål for dens samlede energi, skal have egenværdier, der er reelle snarere end komplekse tal, hvor egenværdierne er forbundet med kvantesystemets fysiske egenskaber. I mange årtier, man troede, at Hamiltonianere måtte beskrives matematisk ved hjælp af hermitiske operatorer, da Hermitians altid har reelle egenværdier.

Selvom det er tilstrækkeligt at være hermitianer til at have reelle egenværdier, i 1998 opdagede fysikere, at Hamiltonianere kan være ikke-ermitiske og stadig have reelle egenværdier, så længe de adlyder PT symmetri. Denne opdagelse åbnede en helt ny klasse af kvantesystemer for fysikere at udforske. I øjeblikket, studiet af PT-symmetriske ikke-ermitiske systemer er et område med aktiv forskning, der lover en række anvendelser, især inden for optik.

Den nye undersøgelse bidrager til denne forskning ved at demonstrere enkelt-foton PT-symmetriske kvantevandringer. Tidligere, fysikere har teoretisk undersøgt disse systemer, men det nye studie markerer den første eksperimentelle demonstration på grund af de udfordringer, der er forbundet med at forstærke enkelte fotoner.

"En PT-symmetrisk kvantevandring er en ikke-enhedsmæssig forlængelse af den enhedskvantevandring, som igen er en kvantemekanisk version af den klassiske random walk, " Xue forklarede. "Ligesom PT-symmetriske ikke-ermitiske Hamiltonianere udvider horisonten for konventionel kvantemekanik, en PT-symmetrisk kvantevandring repræsenterer en ny slags kvantevandring med unikke egenskaber, der er ret forskellige fra dem ved en enhedskvantevandring."

Denne demonstration, på tur, førte forskerne til eksperimentelt at demonstrere eksotiske egenskaber kaldet Floquet topologiske egenskaber i PT-symmetriske kvantevandringer for første gang. Forskerne observerede, at Floquet-topologiske kanttilstande opstår mellem regioner med forskellige bulk-topologiske egenskaber, tyder på, at disse systemer indeholder spændende kvantefænomener, der afventer yderligere udforskning. Floquet topologiske egenskaber er karakteriseret ved et par topologiske tal, og styring af disse egenskaber kan føre til udvikling af nye kvanteoptiske enheder.

"Jeg tror, ​​vores arbejde kan føre til en ny generation af syntetiske PT-symmetriske systemer, " sagde Xue. "I PT-symmetriske klassiske systemer, nylige fremskridt kan føre til applikationer inden for optisk switching, modulering, sensorer, trådløs strømoverførsel, og så videre. Mens vores eksperiment demonstrerer Floquet topologiske tilstande (et særligt topologisk stof med tidsperiodiske drev) drevet af PT-symmetrisk kvantedynamik, det giver en ny platform, hvor samspillet mellem PT-symmetrisk kvantedynamik og topologiske egenskaber ikke kun tilbyder en kvantemekanisk version af PT-symmetriske systemer, men kan også føre til potentielle anvendelser inden for kvanteinformation, kvanteberegning, og kvantesansning."

© 2017 Phys.org