Måling af en dynamisk topologisk ordensparameter i kvanteture

Ingen -balance -dynamiske processer er centrale i mange kvanteteknologiske sammenhænge. Imidlertid, det er fortsat en central udfordring at identificere begreber for deres karakterisering og klassificering, da de resulterende kvantetilstande med vilje trodser en beskrivelse med hensyn til ligevægtsstatistisk fysik for at realisere tilstande, der ikke er tilgængelige med konventionelle midler. Forskere har nu opnået en karakterisering med hensyn til en dynamisk topologisk ordensparameter til kvanteture, som repræsenterer en paradigmatisk klasse af ikke -ligevægtsprocesser.

Sammenhæng i kvantedynamikken er kernen i fascinerende fænomener ud over den klassiske fysiks område, såsom kvanteinterferenseffekter, sammenfiltringsproduktion og geometriske faser.

Kvantprocesser af iboende dynamisk natur trodser en beskrivelse i form af et ligevægtsstatistisk fysikensemble. Indtil nu, at identificere generelle principper bag den underliggende unitære kvantedynamik, der bevarer kvantesammenhæng, er stadig en central udfordring.

Kvanteture giver en kraftfuld og fleksibel platform til eksperimentelt at realisere og undersøge kohærent kvantetidsudvikling langt fra termisk ligevægt. I modsætning til klassiske tilfældige gåture, kvanteture er kendetegnet ved kvanteoverlejringer af amplituder frem for klassiske sandsynlighedsfordelinger. Denne ægte kvantekarakter er allerede blevet udnyttet inden for forskellige fysiske områder, lige fra design af effektive algoritmer til behandling af kvanteoplysninger, observation af korreleret dynamik og Anderson -lokalisering, til realiseringen af ​​eksotiske fysiske fænomener i kontekst topologiske faser.

Mens den topologiske orden kan hentes i det virkelige rum, adgang til den fulde komplekse amplitudeinformation, der kendetegner den sammenhængende superposition, forbliver som en af ​​de centrale udfordringer i kvantevandringsforsøg.

I et nyt papir udgivet i Let videnskab og applikation , forskere fra CAS Key Laboratory of Quantum Information og internationale samarbejdspartnere rapporterede om den direkte observation af en dynamisk topologisk ordenparameter (DTOP), der giver en dynamisk karakterisering af kvanteture.

Til denne ende, de realiserede en delt-trin kvantegang i et fotonisk system ved hjælp af rammen af ​​tidsmultiplexering. Ved hjælp af en tidligere udviklet teknik, de opnåede fuld tilstandstomografi af den tidsudviklede kvantetilstand i op til 10 komplette tidstrin. Vigtigere, dette gav den komplette information om amplituden for kvantegangstilstanden.

"Dette er afgørende for vores centrale mål om en dynamisk klassificering af kvanteturen ved hjælp af DTOP, da DTOP måler faseviklingstallet ω_D (t) i momentum-rum, nemlig af den såkaldte Pancharatnam geometriske fase (PGP) ".

Ud fra de eksperimentelle resultater, de fandt ud af, at dynamiske overgange mellem topologisk forskellige klasser af kvanteture kan entydigt skelnes af den observerede tidsafhængige adfærd for ω_D (t).

"For en standsning mellem to systemer med samme topologiske karakter, vi finder ω_D (t) =0 for alle tidstrin; i stedet, til slukning mellem to topologisk forskellige systemer, ω_D (t) starter også ved ω_D (t =0) =0, men ændrer monotont sin værdi på bestemte kritiske tidspunkter, "tilføjede de.

Generalisering af disse observationer, de etablerede yderligere en unik relation mellem adfærden for ω_D (t) og ændringen i forhold til en parameter -quench i de topologiske egenskaber ved en effektiv Floquet Hamiltonian, der stroboskopisk beskriver kvantegangen.

Forskerne konkluderer:"På denne måde, vi giver et ikke -ligevægtsperspektiv på kvanteture, som kan forstås som et udgangspunkt for at nærme sig tidsafhængige processer fra en iboende dynamisk vinkel, der går ud over forestillingen om ligevægtsstatistisk fysik. Med dette og kortlægningen på quenches i et ækvivalent kvante mangekroppssystem, vores eksperiment tilbyder en alsidig platform til at studere sammenhængende ikke-ligevægtsdynamik i mange paradigmatiske modeller, såsom Su-Schrieffer-Heeger-modellen, p-wave Kitaev-kæden, eller det tværgående felt Ising -model i fremtiden. "