Ny undersøgelse observerer skjult kvanteovergang og bygger bro mellem teoretiske og praktiske eksperimenter

Forskere fra University of Ottawa (uOttawa) har i samarbejde med Weizmann Institute of Science og Lancaster University observeret en skjult kvanteovergang, der kun kan ses afhængigt af, hvordan observatører udfører målinger.

Undersøgelsen "Topological Transitions of the generalized Pancharatnam-Berry phase" blev offentliggjort i Science Advances den 24. november 2023.

En væsentlig del af den videnskabelige metode er afhængig af evnen til at måle outputtet af et eksperiment nøjagtigt og til at sidestille disse resultater med tidligere resultater. Forskere udvikler måleinstrumenter, eller målere, som gør dem i stand til præcist at kvantificere størrelsen af ​​fysiske egenskaber. Men "måleprocessen" rejser et kritisk og spændende spørgsmål:ændrer processen med at måle en parameter det system, der måles?

I fysik tror man ofte, at indflydelsen på systemet er ubetydelig. Alligevel kan den samme antagelse ikke foretages i forbindelse med kvantemekanik, da målehandlingen kan påvirke systemet under observation betydeligt.

Forskerholdet, ledet af Yuval Gefen, professor ved Det Fysiske Fakultet ved Weizmann Institute of Science og Ebrahim Karimi, professor i fysik og Canada Research Chair i Structured Quantum Waves ved Det Naturvidenskabelige Fakultet ved University of Ottawa, udtænkte en sofistikeret protokol til at observere denne måledrevne topologiske overgang.

Denne protokol indebar en cyklisk sekvens af målinger med varierende styrker - fra stærk til svag - på polarisationstilstanden af ​​fotoner udsendt fra en laserkilde. Deres resultater afslører, at selvom den topologiske overgang forbliver intakt på trods af tilstedeværelsen af ​​ufuldkommenheder i både systemet og processen, er den også følsom over for disse ufuldkommenheder.

"Denne følsomhed manifesterer sig i væsentlige ændringer i overgangens placering og form, hvilket understreger den delikate balance mellem systemintegritet og ydre påvirkninger i sådanne avancerede videnskabelige udforskninger," sagde Manuel F. Ferrer-Garcia, Ph.D. kandidat, som udførte laboratorieeksperimentet på Nexus for Quantum Technologies Institute i uOttawa.

I kvantemekanikken er det almindeligt accepteret, at hele et kvantesystems tilstand er indkapslet i dets bølgefunktion. For at lære om tilstanden interagerer systemet med en måleenhed, det vil sige målere, som er medvirkende til at kvantificere størrelsen af ​​en fysisk egenskab. Konventionelt bruger kvanteforskere en teknik kendt som projektive målinger i deres laboratorium.

Disse målinger betragtes som "stærke", da de fremkalder "sammenbrud" af bølgefunktionen, hvor den reduceres til en specifik tilstand, der er tilpasset en af ​​måleanordningens tilstande. Denne proces giver ikke kun information, men ændrer også systemets indledende kvantetilstand. Det er dog muligt at udtænke en måleprotokol, der minimalt påvirker systemet, hvilket fører til noget ubestemmelige aflæsninger på vores måler.

Gennem gentagne interaktioner bliver det muligt at indsamle information om systemet, en proces kaldet "svage" målinger. Ud fra denne forståelse kan vi udlede potentialet for at designe måleprotokoller, hvis påvirkning spænder mellem disse to yderpunkter - stærk og svag. Dette koncept åbner nye veje til at udforske kvantesystemer og deres interaktioner med måleudstyr, hvilket markerer et betydeligt fremskridt inden for kvantemålingsteknikker.

Et væsentligt, men mindre tydeligt aspekt af kvantefænomener er deres dybe forbindelse med topologiske begreber. Topologi er i bund og grund en gren af ​​matematik, der fokuserer på studiet af egenskaber, der er invariante eller ændrer sig diskontinuerligt under kontinuerlige deformationer. Et eksempel på disse invarianter er antallet af huller i lukkede overflader - f.eks. kan en kugle kontinuerligt omdannes til en donutform, men antallet af huller vil brat ændre sig fra nul til én, når to forskellige overfladepunkter kommer i kontakt med hinanden .

Topologiske invarianter spiller en vigtig rolle i mange områder af moderne fysik. I dette arbejde observerede forskerne en topologisk overgang, når målestyrken skifter fra stærk til svag. Denne overgang involverede adfærden af ​​et andet matematisk koncept:den geometriske eller Pancharatnam-Berry fase.

Når en kvantetilstand gennemgår en cyklisk udvikling, dvs. den går tilbage til starttilstanden efter en periode, kan den få en "global" fase, som udelukkende skyldes krumningen af ​​rummet, hvor udviklingen sker. Denne fase kan observeres ved at interferere med den udviklede tilstand med den oprindelige.

Effekten af ​​denne forskning går ud over omfanget af grundlæggende fysik. Da overgangen viste sig at være følsom over for visse træk ved kvantesystemet, har den potentialet til at blive brugt til sanseapplikationer eller karakterisering af optiske elementer.

Flere oplysninger: Manuel F. Ferrer-Garcia et al., Topologiske overgange af den generaliserede Pancharatnam-Berry-fase, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adg6810

Journaloplysninger: Videnskabelige fremskridt

Leveret af University of Ottawa