Hjælper symmetriske kvantesystemer med at overleve i en uperfekt verden

Symmetriprincipper i klassisk fysik, der hjælper med at holde vores solsystem stabilt, har en spændende pendant i kvanteverdenen, ifølge ny forskning udført af et hold fysikere fra Australien, Italien og Japan.

I hverdagen, symmetri er ofte forbundet med tanken om skønhed. Dette er lige så sandt i fysik, hvor det vedrører begrebet bevarede mængder (såsom bevarelse af energi, hvilket betyder, at energi ikke kan skabes eller ødelægges). Disse love fortæller os, at naturen vil opføre sig i morgen, ligesom den opførte sig i går:Jorden vil fortsætte med at rotere rundt om solen i en stabil forudsigelig bevægelse.

Men i den virkelige verden, symmetrier er ofte ufuldkomne, og ydre påvirkninger har indflydelse på dem. I solsystemet, jordens bevægelse forstyrres af den svage tyngdekraft af tusinder af andre legemer. Motiveret af spørgsmål som disse, Kolmogorov, Arnold og Moser viste i 1960'erne, at visse typer bevægelse nyder evig stabilitet mod disse ydre kræfter, hvilket betyder, at jordens kredsløb vil forblive stabil i en lang fremtid. Dette stabilitetsbevis er en milepæl inden for klassisk mekanik og gennemsyrer en række begreber inden for fysik.

Nu, samarbejdspartnere fra Macquarie University, Sydney og University of Bari og Waseda University, Tokyo har identificeret lignende adfærd i dynamikken i kvantesystemer såsom atomer og molekyler med ufuldkommen symmetri.

I et papir offentliggjort i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve , holdet har etableret regler for, hvornår den samme form for stabilitet, som først blev defineret i 1960'erne, kan stole på i kvanteverdenen.

Ifølge hovedforfatteren Macquarie Universitys lektor Daniel Burgarth, "Der er en formel skelnen mellem grundlæggende, robuste symmetrier og tilfældige, skrøbelige. De robuste symmetrier er hjørnesten i kvantefysikken, som vi kan stole på ved design af kvanteenheder. Andre symmetrier forstyrres let, og give et kvantesystem mere frihed til at gennemgå uforudsigelige, og normalt uønsket, opførsel."

Professor Kazuya Yuasa (Tokyo) forklarer, "Hvert kvantesystem er svagt koblet til adskillige andre. Hele programmet for kvanteteknologi i dag handler om at finde måder at begrænse udviklingen af ​​kvantesystemer, og forhindre spredning af information fra meget følsomme kvantetilstande. Ved at præcisere præcis, hvilke typer symmetrier der er mest ufølsomme over for dette henfald, håber vi at identificere designstrategier for mere robust kvanteberegning, både i hardware og software."