Komplekse energier, kvantesymmetrier

I en vis forstand, fysik er studiet af universets symmetrier. Fysikere stræber efter at forstå, hvordan systemer og symmetrier ændrer sig under forskellige transformationer.

Ny forskning fra Washington University i St. Louis realiserer et af de første parity-time (PT) symmetriske kvantesystemer, at tillade videnskabsmænd at observere, hvordan den slags symmetri - og handlingen med at bryde den - fører til tidligere uudforskede fænomener. Arbejdet fra Kater Murchs laboratorium, lektor i fysik i kunst og videnskab, er publiceret 7. oktober i tidsskriftet Naturfysik .

Andre eksperimenter har vist PT-symmetri i klassiske systemer såsom koblede penduler eller optiske enheder, men dette nye arbejde i Murchs laboratorium, sammen med eksperimenter i Kina af Yang Wu et al., rapporteret i Videnskab denne maj, giver den første eksperimentelle realisering af et PT-symmetrisk kvantesystem.

"For os, sikkert, den største motivation er at udforske kvantefysikkens ukendte territorier, " sagde Mahdi Naghiloo, hovedforfatter på papiret, der for nylig fik sin ph.d. ved Washington University. "Vi var nysgerrige efter eksperimentelt at udforske kvantesystemer, når de skubbes ind i den komplekse verden og leder efter kraftfulde værktøjer, de kan tilbyde."

Disse og fremtidige PT-symmetrieksperimenter har potentielle anvendelser til kvanteberegning.

Resten af ​​holdet inkluderede Murch; Maryam Abbasi, en kandidatstuderende ved Washington University; og Yogesh Joglekar, en teoretisk fysiker fra Indiana University Purdue University Indianapolis (IUPUI).

En ny symmetri i kvantesystemer

Hvis du reflekterer et system i et spejl, det kaldes en paritetstransformation. Denne transformation sender en højre hånd til en venstre hånd, og omvendt. Hvis du optager en video af systemets udvikling og afspiller den baglæns, det er tidsvending. Hvis du udfører begge disse transformationer samtidigt, og systemet ser det samme ud som det gjorde før, så har systemet PT symmetri.

Studiet af PT-symmetri har sine forbindelsesrødder ved Washington University, hvor Carl Bender i 1998, Wilfred R. og Ann Lee Konneker fornemme professor i fysik, var medforfatter til et banebrydende papir, der fastslår, at kravet om, at kvantesystemer skal være hermitiske, ikke er nødvendigt, for at de skal have reelle energiværdier. Hellere, de svagere krav til PT-symmetri er tilstrækkelige. Dette gennembrud startede et felt af matematisk fysik dedikeret til at studere sådanne systemer.

Ansporet af Bender, Murch har været interesseret i emnet siden han ankom til Washington University i 2013, men indtil for nylig, ingen forstod, hvordan man gjorde et kvantesystem PT-symmetrisk.

Joglekar, en teoretiker, var interesseret i at realisere PT-systemer på tværs af forskellige platforme. Han havde arbejdet med eksperimenter for at gøre det med elektriske kredsløb, væsker, enkeltfotoner og ultrakolde atomer. En tilfældig diskussion mellem Murch og Joglekar i slutningen af ​​2017 gav den nødvendige indsigt.

"Næsten med det samme, vi skitserede på tavlen præcis, hvad ideen var. Om 10 minutter, vi havde hele ideen til eksperimentet, " huskede Murch.

Holdet brugte et superledende kredsløb, kaldet en qubit, at generere et tre-tilstands kvantesystem. Den første exciterede tilstand har en tendens til at henfalde til grundtilstanden, og de to exciterede tilstande har en oscillerende kobling. Ved at bruge en teknik kaldet post-selektion, holdet overvejede kun de forsøg, hvor qubit'en ikke henfaldt til grundtilstanden, et valg, der giver anledning til effektiv PT-symmetri. Styring af to parametre relateret til systemets energi, de undersøgte, hvordan tids-evolution-adfærden afhang af disse parametre.

"Nøglen til dette eksperiment var at kunne kontrollere miljøet, så kun den exciterede tilstand henfalder, og de andre tilstande ikke henfalder, og det var noget, vi bevidst kunne fremstille, " sagde Murch. "På samme tid, vi kan initialisere det til en bestemt tilstand, og så kan vi udføre denne proces med kvantetilstandstomografi, hvor vi er ved at finde ud af præcis, hvad kvantetilstanden gør efter et stykke tid."

Komplekse energier

De mærkelige fænomener, som holdet observerede, stammer fra det faktum, at systemet har komplekse energier - dvs. de involverer kvadratroden af ​​-1.

Hvert komplekst tal har to kvadratrødder (f.eks. 4 har 2 og -2 som kvadratrødder) undtagen 0, som kun har én (sig selv). Et punkt, hvor to værdier smelter sammen til kun én, er kendt som en degeneration, et vigtigt begreb inden for mange områder af fysikken. Her, kvadratrodsdegenerationen vises i parameterrummet, hvor det kaldes "det ekstraordinære punkt". Dette punkt opdeler parameterrum i et PT-symmetrisk område, hvor systemet svinger i tid, og en PT-brudt region, hvor systemet oplever forfald. En sådan adfærd står i skarp kontrast til typiske kvantesystemer, der altid svinger i tid.

En anden konsekvens af de komplekse energier omtales som koalescens af egentilstande. Systemets to egentilstande - dvs. tilstande med bestemte energier - er normalt ortogonale i forhold til hinanden, en tilstand, der svarer til, at to linjer er vinkelrette. Men når systemet nærmer sig det ekstraordinære punkt, vinklen mellem egentilstandene aftager, indtil de bliver parallelle ved selve det exceptionelle punkt, ligesom de positive og negative kvadratrødder smelter sammen til den enkelte værdi 0. Indtil nu, denne type degeneration var aldrig blevet set i et kvantesystem.

Potentielle applikationer til kvanteberegning

Holdets arbejde er kun begyndelsen på det eksperimentelle studie af PT-symmetri i kvantemekanik. Teori forudsiger mærkelige geometriske effekter forbundet med at omkranse det exceptionelle punkt, som laboratoriet nu forsøger at måle i forsøg.

Ifølge Murch, "banen ved en kvanteingeniørs eksistens, "er usammenhæng, eller tab af kvanteinformation. Tidlige indikationer, baseret på kvantefotoniske simuleringer af Joglekar og Anthony Laing ved University of Bristol i England, foreslår, at i Murch-laboratoriets opsætning, henfaldet fra den første exciterede tilstand til grundtilstanden kan forsinke processen med dekohærens, giver mulighed for mere robust kvanteberegning.

PT-symmetrisamarbejdet mellem Murch og Joglekar fortsætter gennem efteråret, mens Joglekar tilbringer et semester som gæsteprofessor ved Washington University.

Joglekar understregede vigtigheden af ​​samarbejde mellem teoretikere som ham selv og eksperimentalister som Murch. "Det er en meget dynamisk frem og tilbage virksomhed, sagde han. Og det skulle være sådan, fordi du i sidste ende vil forstå naturen. Naturen er ligeglad med, om du kalder dig selv teoretiker eller eksperimentalist."