Onderzoekers van de Universiteit van Ottawa (uOttawa), in samenwerking met het Weizmann Institute of Science en Lancaster University, hebben een verborgen kwantumtransitie waargenomen die alleen zichtbaar is afhankelijk van hoe waarnemers metingen uitvoeren.

De studie "Topologische transities van de gegeneraliseerde Pancharatnam-Berry-fase" werd gepubliceerd in Science Advances op 24 november 2023.

Een essentieel onderdeel van de wetenschappelijke methode berust op het vermogen om de uitkomst van een experiment nauwkeurig te meten en deze bevindingen naast eerdere resultaten te plaatsen. Wetenschappers ontwikkelen meetapparatuur, oftewel meters, waarmee ze de omvang van fysische eigenschappen nauwkeurig kunnen kwantificeren. Het 'meetproces' roept echter een kritische en intrigerende vraag op:verandert het proces van het meten van een parameter het systeem dat wordt gemeten?

In de natuurkunde wordt vaak aangenomen dat de invloed op het systeem verwaarloosbaar is. Toch kan dezelfde veronderstelling niet worden gemaakt in de context van de kwantummechanica, omdat de meting een aanzienlijke impact kan hebben op het systeem dat wordt waargenomen.

Het onderzoeksteam, onder leiding van Yuval Gefen, professor aan de Faculteit Natuurkunde van het Weizmann Institute of Science, en Ebrahim Karimi, hoogleraar natuurkunde en Canada Research Chair in Structured Quantum Waves aan de Faculteit Wetenschappen van de Universiteit van Ottawa, bedacht een verfijnd protocol om deze meetgestuurde topologische transitie waar te nemen.

Dit protocol omvatte een cyclische reeks metingen met verschillende sterktes – van sterk tot zwak – van de polarisatietoestand van fotonen die door een laserbron worden uitgezonden. Uit hun bevindingen blijkt dat, hoewel de topologische transitie intact blijft ondanks de aanwezigheid van onvolkomenheden in zowel het systeem als het proces, deze ook gevoelig is voor deze onvolkomenheden.

"Deze gevoeligheid manifesteert zich in significante veranderingen in de locatie en vorm van de transitie, wat het delicate evenwicht tussen systeemintegriteit en externe invloeden in dergelijke geavanceerde wetenschappelijke verkenningen onderstreept", zegt Manuel F. Ferrer-Garcia, Ph.D. kandidaat, die het laboratoriumexperiment uitvoerde bij het Nexus for Quantum Technologies Institute in uOttawa.

In de kwantummechanica wordt algemeen aanvaard dat de gehele toestand van een kwantumsysteem is ingekapseld in zijn golffunctie. Om meer te weten te komen over de toestand, werkt het systeem samen met een meetapparaat, d.w.z. meters, die een belangrijke rol spelen bij het kwantificeren van de omvang van een fysieke eigenschap. Conventioneel gebruiken kwantumwetenschappers in hun laboratorium een ​​techniek die bekend staat als projectieve metingen.

Deze metingen worden als "sterk" beschouwd omdat ze het "instorten" van de golffunctie veroorzaken, waarbij deze wordt teruggebracht tot een specifieke toestand die is uitgelijnd met een van de toestanden van het meetapparaat. Dit proces levert niet alleen informatie op, maar verandert ook de initiële kwantumtoestand van het systeem. Het is echter haalbaar om een ​​meetprotocol te bedenken dat het systeem minimaal beïnvloedt, wat leidt tot enigszins onbepaalde meetwaarden op onze meter.

Door herhaalde interacties wordt het mogelijk om informatie over het systeem te verzamelen, een proces dat 'zwakke' metingen wordt genoemd. Uit dit inzicht kunnen we het potentieel afleiden voor het ontwerpen van meetprotocollen waarvan de impact tussen deze twee uitersten ligt:​​sterk en zwak. Dit concept opent nieuwe wegen voor het verkennen van kwantumsystemen en hun interacties met meetapparatuur, wat een aanzienlijke stap voorwaarts betekent in kwantummeettechnieken.

Een belangrijk maar minder duidelijk aspect van kwantumverschijnselen is hun diepe verbinding met topologische concepten. Topologie is in wezen een tak van de wiskunde die zich richt op de studie van eigenschappen die onveranderlijk zijn of discontinu veranderen onder voortdurende vervormingen. Een voorbeeld van deze invarianten is het aantal gaten in gesloten oppervlakken - een bol kan bijvoorbeeld continu worden getransformeerd in de vorm van een donut, maar het aantal gaten zal abrupt veranderen van nul naar één wanneer twee verschillende oppervlaktepunten met elkaar in contact komen. .

Topologische invarianten spelen een belangrijke rol in veel gebieden van de moderne natuurkunde. In dit werk observeerden de onderzoekers een topologische overgang wanneer de meetsterkte verandert van sterk naar zwak. Deze overgang omvatte het gedrag van een ander wiskundig concept:de geometrische of Pancharatnam-Berry-fase.

Wanneer een kwantumtoestand een cyclische evolutie ondergaat, d.w.z. na verloop van tijd terugkeert naar de begintoestand, kan deze een ‘globale’ fase verwerven, die uitsluitend te wijten is aan de kromming van de ruimte waarin de evolutie plaatsvindt. Deze fase kan worden waargenomen door de geëvolueerde staat te verstoren met de oorspronkelijke staat.

De impact van dit onderzoek reikt verder dan de reikwijdte van de fundamentele natuurkunde. Omdat de transitie gevoelig bleek te zijn voor bepaalde kenmerken van het kwantumsysteem, heeft deze de potentie om te worden gebruikt bij detectietoepassingen of karakterisering van optische elementen.

Meer informatie: Manuel F. Ferrer-Garcia et al, Topologische overgangen van de gegeneraliseerde Pancharatnam-Berry-fase, Wetenschappelijke vooruitgang (2023). DOI:10.1126/sciadv.adg6810

Journaalinformatie: Wetenschappelijke vooruitgang

Aangeboden door Universiteit van Ottawa