(Phys.org) — Natuurkundigen hebben experimenteel een optisch systeem gedemonstreerd op basis van een onconventionele klasse van kwantummechanische systemen die zouden kunnen leiden tot de ontwikkeling van nieuwe kwantum optische apparaten. Het systeem wordt een "PT-symmetrische kwantumwandeling, " omdat het bestaat uit enkele fotonen die een superpositie van toestanden innemen, kwantumwandelingen genoemd, die pariteit-tijd (PT) symmetrie gehoorzamen - de eigenschap waarin de coördinaten van een systeem in ruimte en tijd hun tekens kunnen omkeren zonder het systeem inherent te veranderen.

de fysici, geleid door Peng Xue aan de Southeast University in Nanjing, hebben een artikel gepubliceerd over de PT-symmetrische kwantumwandelingen in een recent nummer van Natuurfysica .

"We presenteren een experimenteel werk dat drie concepten met elkaar verbindt - niet-unitaire kwantumwandelingen op een enkel fotonniveau, PT symmetrie, en topologische randtoestanden afkomstig van Floquet topologische fasen, " vertelde Xue Phys.org . "Elk van deze drie concepten heeft de afgelopen jaren veel aandacht getrokken in de wetenschappelijke gemeenschap. Het samenspel van deze elementen in ons experimentele systeem zal ongetwijfeld leiden tot een rijke fysica."

De nieuwe resultaten bouwen voort op ontdekkingen die de afgelopen 20 jaar zijn gedaan met betrekking tot een nieuwe klasse van kwantumsystemen, niet-Hermitische Hamiltonianen genaamd, die afwijken van conventionele kwantumsystemen. In het algemeen, de Hamiltoniaan van een kwantumsysteem, wat een maat is voor de totale energie, moet eigenwaarden hebben die reëel zijn in plaats van complexe getallen, waarbij de eigenwaarden worden geassocieerd met de fysieke eigenschappen van het kwantumsysteem. Gedurende vele decennia, men dacht dat Hamiltonianen wiskundig moeten worden beschreven met behulp van Hermitische operatoren, aangezien Hermitianen altijd reële eigenwaarden hebben.

Hoewel Hermitiaans zijn voldoende is voor een Hamiltoniaan om echte eigenwaarden te hebben, in 1998 ontdekten natuurkundigen dat Hamiltonianen niet-Hermitiaans kunnen zijn en toch echte eigenwaarden kunnen hebben, zolang ze de PT-symmetrie gehoorzamen. Deze ontdekking opende een hele nieuwe klasse van kwantumsystemen voor natuurkundigen om te verkennen. Momenteel, de studie van PT-symmetrische niet-Hermitische systemen is een gebied van actief onderzoek dat veelbelovend is voor een verscheidenheid aan toepassingen, vooral op het gebied van optica.

De nieuwe studie draagt ​​bij aan dit onderzoek door single-photon PT-symmetrische kwantumwandelingen aan te tonen. Eerder, natuurkundigen hebben deze systemen theoretisch onderzocht, maar de nieuwe studie markeert de eerste experimentele demonstratie vanwege de uitdagingen die gepaard gaan met het versterken van enkele fotonen.

"Een PT-symmetrische kwantumwandeling is een niet-unitaire uitbreiding van de unitaire kwantumwandeling, wat op zijn beurt een kwantummechanische versie is van de klassieke willekeurige wandeling, " legde Xue uit. "Net zoals PT-symmetrische niet-Hermitische Hamiltonianen de horizon van conventionele kwantummechanica verbreden, een PT-symmetrische kwantumwandeling vertegenwoordigt een nieuw soort kwantumwandeling met unieke kenmerken die heel anders zijn dan die van een unitaire kwantumwandeling."

Deze demonstratie, beurtelings, leidde de onderzoekers om voor het eerst exotische eigenschappen, Floquet-topologische eigenschappen genaamd, experimenteel aan te tonen in PT-symmetrische kwantumwandelingen. De wetenschappers merkten op dat Floquet topologische randtoestanden ontstaan ​​tussen regio's met verschillende bulktopologische eigenschappen, wat suggereert dat deze systemen intrigerende kwantumverschijnselen bevatten die wachten op verdere verkenning. Floquet topologische eigenschappen worden gekenmerkt door een paar topologische getallen, en het beheersen van deze eigenschappen kan leiden tot de ontwikkeling van nieuwe kwantum optische apparaten.

"Ik denk dat ons werk kan leiden tot een nieuwe generatie synthetische PT-symmetrische systemen, " zei Xue. "In PT-symmetrische klassieke systemen, recente vooruitgang kan leiden tot toepassingen in optisch schakelen, modulatie, sensoren, draadloze machtsoverdracht, enzovoort. Terwijl ons experiment topologische toestanden van Floquet demonstreert (een speciale topologische kwestie met tijdperiodieke aandrijvingen) aangedreven door PT-symmetrische kwantumdynamica, het biedt een nieuw platform waar het samenspel van PT-symmetrische kwantumdynamica en topologische eigenschappen niet alleen een kwantummechanische versie van PT-symmetrische systemen biedt, maar kan ook leiden tot mogelijke toepassingen in kwantuminformatie, kwantumberekening, en kwantumdetectie."

© 2017 Fys.org