(Phys.org)—I fisici hanno dimostrato sperimentalmente un sistema ottico basato su una classe non convenzionale di sistemi di meccanica quantistica che potrebbe portare allo sviluppo di nuovi dispositivi ottici quantistici. Il sistema è chiamato "passeggiata quantistica PT-simmetrica, " poiché consiste di singoli fotoni che occupano una sovrapposizione di stati, chiamate passeggiate quantistiche, che obbediscono alla simmetria parity-time (PT), la proprietà in base alla quale le coordinate di un sistema nello spazio e nel tempo possono avere i loro segni invertiti senza modificare intrinsecamente il sistema.

I fisici, guidato da Peng Xue alla Southeast University di Nanchino, hanno pubblicato un articolo sulle passeggiate quantistiche PT-simmetriche in un recente numero di Fisica della natura .

"Vi presentiamo un lavoro sperimentale che lega insieme tre concetti:passeggiate quantistiche non unitarie a livello di un singolo fotone, simmetria PT, e stati limite topologici originati da fasi topologiche di Floquet, "Xue ha detto Phys.org . "Ciascuno di questi tre concetti ha attirato molta attenzione negli ultimi anni nella comunità scientifica. L'interazione di questi elementi nel nostro sistema sperimentale darà senza dubbio origine a una fisica ricca".

I nuovi risultati si basano sulle scoperte fatte negli ultimi 20 anni riguardo a una nuova classe di sistemi quantistici chiamati Hamiltoniane non hermitiani che si discostano dai sistemi quantistici convenzionali. Generalmente, l'Hamiltoniana di un sistema quantistico, che è una misura della sua energia totale, deve avere autovalori reali piuttosto che numeri complessi, dove gli autovalori sono associati alle proprietà fisiche del sistema quantistico. Per molti decenni, si pensava che le Hamiltoniane dovessero essere descritte matematicamente usando operatori hermitiani, poiché gli hermitiani hanno sempre autovalori reali.

Sebbene essere hermitiano sia sufficiente per un hamiltoniano per avere autovalori reali, nel 1998 i fisici hanno scoperto che le Hamiltoniane possono essere non hermitiane e avere ancora autovalori reali, purché obbediscano alla simmetria PT. Questa scoperta ha aperto una nuova classe di sistemi quantistici per i fisici da esplorare. Attualmente, lo studio dei sistemi PT-simmetrici non hermitiani è un'area di ricerca attiva che promette una varietà di applicazioni, soprattutto nel campo dell'ottica.

Il nuovo studio contribuisce a questa ricerca dimostrando passeggiate quantistiche PT-simmetriche a singolo fotone. In precedenza, i fisici hanno teoricamente studiato questi sistemi, ma il nuovo studio segna la prima dimostrazione sperimentale a causa delle sfide legate all'amplificazione dei singoli fotoni.

"Un cammino quantistico PT-simmetrico è un'estensione non unitaria del cammino quantistico unitario, che è a sua volta una versione quantomeccanica del classico random walk, " Xue ha spiegato. "Proprio come le Hamiltoniane non hermitiane simmetriche PT ampliano l'orizzonte della meccanica quantistica convenzionale, una passeggiata quantistica PT-simmetrica rappresenta un nuovo tipo di passeggiata quantistica con caratteristiche uniche che sono molto diverse da quelle di una passeggiata quantistica unitaria".

Questa dimostrazione, a sua volta, ha portato i ricercatori a dimostrare sperimentalmente proprietà esotiche chiamate proprietà topologiche di Floquet in passeggiate quantistiche simmetriche PT per la prima volta. Gli scienziati hanno osservato che gli stati limite topologici di Floquet si verificano tra regioni con diverse proprietà topologiche di massa, suggerendo che questi sistemi contengono intriganti fenomeni quantistici in attesa di ulteriori esplorazioni. Le proprietà topologiche di Floquet sono caratterizzate da una coppia di numeri topologici, e il controllo di queste proprietà può portare allo sviluppo di nuovi dispositivi ottici quantistici.

"Penso che il nostro lavoro possa portare a una nuova generazione di sistemi sintetici PT-simmetrici, " Xue ha detto. "Nei sistemi classici PT-simmetrici, i recenti progressi possono portare ad applicazioni nella commutazione ottica, modulazione, sensori, trasferimento di energia senza fili, e così via. Mentre il nostro esperimento dimostra gli stati topologici di Floquet (una materia topologica speciale con azionamenti tempo-periodici) guidati da dinamiche quantistiche simmetriche PT, fornisce una nuova piattaforma in cui l'interazione della dinamica quantistica PT-simmetrica e delle proprietà topologiche non solo offre una versione quantomeccanica dei sistemi PT-simmetrici, ma può anche portare a potenziali applicazioni nell'informazione quantistica, calcolo quantistico, e il rilevamento quantistico."

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