In zekere zin is natuurkunde is de studie van de symmetrieën van het universum. Natuurkundigen proberen te begrijpen hoe systemen en symmetrieën veranderen onder verschillende transformaties.

Nieuw onderzoek van de Washington University in St. Louis realiseert een van de eerste pariteitstijd (PT) symmetrische kwantumsystemen, waardoor wetenschappers kunnen observeren hoe dat soort symmetrie - en het doorbreken ervan - leidt tot voorheen onontgonnen fenomenen. Het werk van het laboratorium van Kater Murch, universitair hoofddocent natuurkunde in Arts &Sciences, is op 7 oktober gepubliceerd in het tijdschrift Natuurfysica .

Andere experimenten hebben PT-symmetrie aangetoond in klassieke systemen zoals gekoppelde slingers of optische apparaten, maar dit nieuwe werk in Murch's lab, samen met experimenten in China door Yang Wu et al., gemeld in Wetenschap dit zou, biedt de eerste experimentele realisatie van een PT-symmetrisch kwantumsysteem.

"Voor ons, zeker, de grootste motivatie is om de onbekende gebieden van de kwantumfysica te verkennen, " zei Mahdi Naghiloo, hoofdauteur van het artikel die onlangs zijn Ph.D. aan de Washington-universiteit. "We waren nieuwsgierig om kwantumsystemen experimenteel te verkennen wanneer ze in de complexe wereld worden geduwd en op zoek gaan naar krachtige hulpmiddelen die ze kunnen bieden."

Deze en toekomstige PT-symmetrie-experimenten hebben potentiële toepassingen voor kwantumcomputers.

De rest van het team omvatte Murch; Maryam Abbasi, een afgestudeerde student van de Washington University; en Yogesh Joglekar, een theoretisch fysicus van de Indiana University Purdue University Indianapolis (IUPUI).

Een nieuwe symmetrie in kwantumsystemen

Als je een systeem in een spiegel weerkaatst, dat heet een pariteitstransformatie. Deze transformatie stuurt een rechterhand naar een linkerhand, en vice versa. Als u een video opneemt van de evolutie van het systeem en deze achterstevoren afspeelt, dat is tijd omkering. Als u beide transformaties tegelijkertijd uitvoert, en het systeem ziet er hetzelfde uit als voorheen, dan heeft het systeem PT-symmetrie.

De studie van PT-symmetrie heeft zijn linkwortels aan de Washington University, waar in 1998 Carl Bender, de Wilfred R. en Ann Lee Konneker Distinguished Professor of Physics, co-auteur van een baanbrekend artikel waarin werd vastgesteld dat de eis dat kwantumsystemen Hermitisch zijn niet nodig is om echte energiewaarden te hebben. Liever, de zwakkere eis van PT-symmetrie is voldoende. Deze doorbraak leidde tot een gebied van wiskundige fysica dat zich toelegt op het bestuderen van dergelijke systemen.

Aangespoord door Bender, Murch is al sinds zijn aankomst aan de Washington University in 2013 in het onderwerp geïnteresseerd. maar tot voor kort, niemand begreep hoe je een kwantumsysteem PT-symmetrisch kon maken.

Joglekar, een theoreticus, was geïnteresseerd in het realiseren van PT-systemen op verschillende platforms. Hij had met experimentatoren gewerkt om dit te doen met elektrische circuits, vloeistoffen, enkele fotonen en ultrakoude atomen. Een toevallig gesprek tussen Murch en Joglekar eind 2017 zorgde voor het nodige inzicht.

"Bijna onmiddelijk, we hebben op het bord precies geschetst wat het idee was. In 10 minuten, we hadden het hele idee voor het experiment, ' herinnert Murch zich.

Het team gebruikte een supergeleidend circuit, een qubit genoemd, om een ​​driestatenkwantumsysteem te genereren. De eerste aangeslagen toestand heeft de neiging te vervallen tot de grondtoestand, en de twee aangeslagen toestanden hebben een oscillerende koppeling. Met behulp van een techniek genaamd post-selectie, het team beschouwde alleen die proeven waarbij de qubit niet verviel tot de grondtoestand, een keuze die aanleiding geeft tot effectieve PT-symmetrie. Het regelen van twee parameters met betrekking tot de energie van het systeem, ze bestudeerden hoe het tijdevolutiegedrag afhing van die parameters.

"De sleutel tot dit experiment was om de omgeving te beheersen, zodat alleen de aangeslagen toestand vervalt en de andere toestanden niet vervallen, en dat was iets dat we bewust konden maken, "Zei Murch. "Tegelijkertijd, we kunnen het in een bepaalde toestand initialiseren en dan kunnen we dit proces van kwantumtoestandtomografie doen, waar we na verloop van tijd precies uitzoeken wat de kwantumtoestand doet."

Complexe energieën

De vreemde verschijnselen die het team heeft waargenomen, komen voort uit het feit dat het systeem complexe energieën heeft, dat wil zeggen:ze hebben betrekking op de vierkantswortel van -1.

Elk complex getal heeft twee vierkantswortels (bijvoorbeeld 4 heeft 2 en -2 als vierkantswortels) behalve 0, die er maar één (zelf) heeft. Een punt waar twee waarden samensmelten tot slechts één staat bekend als een degeneratie, een belangrijk concept op veel gebieden van de natuurkunde. Hier, de vierkantsworteldegeneratie verschijnt in de parameterruimte, waar het het 'uitzonderlijke punt' wordt genoemd. Dit punt verdeelt de parameterruimte in een PT-symmetrisch gebied, waar het systeem oscilleert in de tijd, en een PT-gebroken regio, waar het systeem verval ervaart. Dergelijk gedrag staat in schril contrast met typische kwantumsystemen die altijd oscilleren in de tijd.

Een tweede gevolg van de complexe energieën wordt de coalescentie van eigentoestanden genoemd. De twee eigentoestanden van het systeem, dat wil zeggen, de toestanden met bepaalde energieën staan ​​normaal loodrecht op elkaar, een toestand analoog aan twee loodrechte lijnen. Maar naarmate het systeem het uitzonderlijke punt nadert, de hoek tussen de eigentoestanden neemt af totdat ze evenwijdig worden op het uitzonderlijke punt zelf, net zoals de positieve en negatieve vierkantswortels samenvloeien tot de enkele waarde 0. Tot nu toe, dit type degeneratie was nog nooit eerder gezien in een kwantumsysteem.

Potentiële toepassingen voor quantum computing

Het werk van het team is nog maar het begin van de experimentele studie van PT-symmetrie in de kwantummechanica. Theorie voorspelt vreemde geometrische effecten die samenhangen met het omringen van het uitzonderlijke punt, die het lab nu probeert te meten in experimenten.

Volgens Murch, de "vloek van het bestaan ​​van een kwantumingenieur, " is decoherentie, of het verlies van kwantuminformatie. vroege indicaties, gebaseerd op kwantumfotonische simulaties door Joglekar en Anthony Laing aan de Universiteit van Bristol in Engeland, suggereren dat in de opstelling van het Murch-lab, het verval van de eerste aangeslagen toestand naar de grondtoestand kan het proces van decoherentie vertragen, wat de mogelijkheid biedt voor robuustere quantum computing.

De samenwerking op het gebied van PT-symmetrie tussen Murch en Joglekar gaat door tijdens de herfst, terwijl Joglekar een semester doorbrengt als gasthoogleraar aan de Washington University.

Joglekar benadrukte het belang van samenwerking tussen theoretici zoals hijzelf en experimentatoren zoals Murch. "Het is een zeer dynamische heen-en-weer onderneming, "zei hij. "En het zou zo moeten zijn, omdat je uiteindelijk de natuur wilt begrijpen. De natuur maakt het niet uit of je jezelf een theoreticus of een experimentator noemt."