In un certo senso, la fisica è lo studio delle simmetrie dell'universo. I fisici si sforzano di capire come i sistemi e le simmetrie cambiano sotto varie trasformazioni.

Una nuova ricerca della Washington University di St. Louis realizza uno dei primi sistemi quantistici simmetrici parity-time (PT), permettendo agli scienziati di osservare come quel tipo di simmetria - e l'atto di romperla - porti a fenomeni precedentemente inesplorati. Il lavoro del laboratorio di Kater Murch, professore associato di fisica in arti e scienze, è pubblicato il 7 ottobre sulla rivista Fisica della natura .

Altri esperimenti hanno dimostrato la simmetria PT in sistemi classici come pendoli accoppiati o dispositivi ottici, ma questo nuovo lavoro nel laboratorio di Murch, insieme agli esperimenti in Cina di Yang Wu et al., segnalato in Scienza questo potrebbe, fornisce la prima realizzazione sperimentale di un sistema quantistico PT-simmetrico.

"Per noi, di certo, la motivazione più grande è esplorare i territori sconosciuti della fisica quantistica, " disse Mahdi Naghiloo, autore principale dell'articolo che ha recentemente conseguito il dottorato di ricerca. alla Washington University. "Eravamo curiosi di esplorare sperimentalmente i sistemi quantistici quando vengono spinti nel mondo complesso e cercare strumenti potenti che possono offrire".

Questi e futuri esperimenti di simmetria PT hanno potenziali applicazioni per l'informatica quantistica.

Il resto della squadra includeva Murch; Maryam Abbasi, uno studente laureato della Washington University; e Yogesh Joglekar, un fisico teorico dell'Indiana University Purdue University Indianapolis (IUPUI).

Una nuova simmetria nei sistemi quantistici

Se rifletti un sistema in uno specchio, si chiama trasformazione di parità. Questa trasformazione invia una mano destra a una mano sinistra, e viceversa. Se registri un video dell'evoluzione del sistema e lo riproduci al contrario, questo è l'inversione del tempo. Se esegui entrambe queste trasformazioni contemporaneamente, e il sistema ha lo stesso aspetto di prima, allora il sistema ha simmetria PT.

Lo studio della simmetria PT ha le sue radici di collegamento alla Washington University, dove nel 1998 Carl Bender, Wilfred R. e Ann Lee Konneker Distinguished Professor di Fisica, co-autore di un documento fondamentale che stabilisce il requisito che i sistemi quantistici siano hermitiani non è necessario affinché abbiano valori energetici reali. Piuttosto, il requisito più debole della simmetria PT è sufficiente. Questa svolta ha avviato un campo della fisica matematica dedicato allo studio di tali sistemi.

Spronato da Bender, Murch è interessato all'argomento da quando è arrivato alla Washington University nel 2013, ma fino a poco tempo fa nessuno capiva come realizzare un sistema quantistico PT-simmetrico.

Joglekar, un teorico, era interessato a realizzare sistemi PT su diverse piattaforme. Aveva lavorato con gli sperimentali per farlo con i circuiti elettrici, fluidi, fotoni singoli e atomi ultrafreddi. Una discussione fortuita tra Murch e Joglekar alla fine del 2017 ha fornito l'intuizione necessaria.

"Quasi immediatamente, abbiamo abbozzato alla lavagna esattamente quale fosse l'idea. In 10 minuti, abbiamo avuto l'intera idea per l'esperimento, "Murch ha ricordato.

Il team ha utilizzato un circuito superconduttore, chiamato qubit, per generare un sistema quantistico a tre stati. Il primo stato eccitato tende a decadere allo stato fondamentale, e i due stati eccitati hanno un accoppiamento oscillatorio. Utilizzando una tecnica chiamata post-selezione, il team ha considerato solo quelle prove in cui il qubit non è decaduto allo stato fondamentale, una scelta che dà luogo a un'effettiva simmetria PT. Controllo di due parametri relativi all'energia del sistema, hanno studiato come il comportamento dell'evoluzione temporale dipendesse da quei parametri.

"La chiave di questo esperimento è stata essere in grado di controllare l'ambiente in modo che solo lo stato eccitato decada e gli altri stati non decadano, ed era qualcosa che potevamo fabbricare deliberatamente, " Murch ha detto. "Allo stesso tempo, possiamo inizializzarlo in uno stato particolare e poi possiamo fare questo processo di tomografia a stato quantistico, dove stiamo capendo esattamente cosa sta facendo lo stato quantico dopo un certo periodo di tempo."

Energie complesse

Gli strani fenomeni osservati dal team derivano dal fatto che il sistema ha energie complesse, ovvero coinvolgono la radice quadrata di -1.

Ogni numero complesso ha due radici quadrate (ad esempio, 4 ha 2 e -2 come radici quadrate) tranne 0, che ne ha uno solo (se stesso). Un punto in cui due valori si fondono in uno solo è noto come degenerazione, un concetto importante in molte aree della fisica. Qui, la degenerazione della radice quadrata appare nello spazio dei parametri, dove è chiamato il "punto eccezionale". Questo punto divide lo spazio dei parametri in una regione PT-simmetrica, dove il sistema oscilla nel tempo, e una regione PT-rotta, dove il sistema subisce il decadimento. Tale comportamento è in netto contrasto con i tipici sistemi quantistici che oscillano sempre nel tempo.

Una seconda conseguenza delle energie complesse è denominata coalescenza di autostati. I due autostati del sistema, cioè gli stati con energie definite, sono normalmente ortogonali tra loro, una condizione analoga a due rette perpendicolari. Ma quando il sistema si avvicina al punto eccezionale, l'angolo tra gli autostati diminuisce fino a diventare paralleli nel punto eccezionale stesso, proprio come le radici quadrate positive e negative si uniscono al singolo valore 0. Fino ad ora, questo tipo di degenerazione non era mai stato visto in un sistema quantistico.

Potenziali applicazioni all'informatica quantistica

Il lavoro del team è solo l'inizio dello studio sperimentale della simmetria PT nella meccanica quantistica. La teoria predice strani effetti geometrici associati all'accerchiamento del punto eccezionale, che il laboratorio sta ora cercando di misurare negli esperimenti.

Secondo Murch, la "rovina dell'esistenza di un ingegnere quantistico, "è decoerenza, o la perdita di informazioni quantistiche. Prime indicazioni, basato su simulazioni fotoniche quantistiche di Joglekar e Anthony Laing presso l'Università di Bristol in Inghilterra, suggeriscono che nell'allestimento del laboratorio Murch, il decadimento dal primo stato eccitato allo stato fondamentale potrebbe rallentare il processo di decoerenza, fornendo la possibilità di un calcolo quantistico più robusto.

La collaborazione sulla simmetria PT tra Murch e Joglekar continua fino all'autunno, mentre Joglekar trascorre un semestre come visiting professor alla Washington University.

Joglekar ha sottolineato l'importanza della collaborazione tra teorici come lui e sperimentalisti come Murch. "È un'impresa molto dinamica di avanti e indietro, " disse. "E dovrebbe essere così, perché alla fine vuoi capire la natura. Alla natura non importa se ti definisci un teorico o uno sperimentatore".