(Phys.org) —Fysiker har experimentellt demonstrerat ett optiskt system baserat på en okonventionell klass av kvantmekaniska system som kan leda till utveckling av nya kvantoptiska enheter. Systemet kallas en "PT-symmetrisk kvantgång, "eftersom den består av enstaka fotoner som upptar en superposition av stater, kallas kvantpromenader, som lyder symmetri med paritetstid (PT)-egenskapen där ett systems koordinater i rymden och tiden kan få sina tecken att vända utan att inneboende förändra systemet.

Fysikerna, ledd av Peng Xue vid Southeast University i Nanjing, har publicerat ett papper om PT-symmetriska kvantpromenader i ett nyligen utgåva av Naturfysik .

"Vi presenterar ett experimentellt arbete som sammanbinder tre begrepp-icke-enhetliga kvantpromenader på enfotonnivå, PT -symmetri, och topologiska kanttillstånd som härrör från Floquet topologiska faser, "Berättade Xue Phys.org . "Var och en av dessa tre begrepp har väckt stor uppmärksamhet under de senaste åren i det vetenskapliga samfundet. Samspelet mellan dessa element i vårt experimentella system kommer utan tvekan att ge upphov till rik fysik."

De nya resultaten bygger på upptäckter som gjorts under de senaste 20 åren avseende en ny klass av kvantsystem som kallas icke-hermitiska Hamiltonians som avviker från konventionella kvantsystem. I allmänhet, Hamilton av ett kvantsystem, som är ett mått på dess totala energi, måste ha egna värden som är verkliga snarare än komplexa tal, där egenvärden är associerade med de fysiska egenskaperna hos kvantsystemet. Under många decennier har man trodde att Hamiltonians måste beskrivas matematiskt med hjälp av hermitiska operatörer, eftersom eremitier alltid har verkliga egenvärden.

Även om det är tillräckligt med en hermitiker för att ha en Hamiltonian att ha verkliga egenvärden, 1998 upptäckte fysiker att Hamiltonians kan vara icke-hermitiska och fortfarande ha verkliga egenvärden, så länge de lyder PT -symmetri. Denna upptäckt öppnade upp en helt ny klass av kvantsystem för fysiker att utforska. För närvarande, studien av PT-symmetriska icke-hermitiska system är ett område med aktiv forskning som lovar många olika tillämpningar, särskilt inom optikområdet.

Den nya studien bidrar till denna forskning genom att demonstrera enkel-foton PT-symmetriska kvantpromenader. Tidigare, fysiker har teoretiskt undersökt dessa system, men den nya studien markerar den första experimentella demonstrationen på grund av utmaningarna med att förstärka enstaka fotoner.

"En PT-symmetrisk kvantgång är en icke-enhetlig förlängning av den enhetliga kvantgången, vilket i sin tur är en kvantmekanisk version av den klassiska slumpmässiga promenaden, "Xue förklarade." Precis som PT-symmetriska icke-hermitiska Hamiltonians vidgar horisonten för konventionell kvantmekanik, en PT-symmetrisk kvantpromenad representerar en ny typ av kvantpromenad med unika egenskaper som skiljer sig ganska mycket från en enhetlig kvantpromenad. "

Denna demonstration, i tur och ordning, ledde forskarna att experimentellt demonstrera exotiska egenskaper som kallas Floquet topologiska egenskaper i PT-symmetriska kvantpromenader för första gången. Forskarna observerade att Floquet topologiska kanttillstånd uppstår mellan regioner med olika bulk topologiska egenskaper, tyder på att dessa system innehåller spännande kvantfenomen som väntar på ytterligare utforskning. Floquet topologiska egenskaper kännetecknas av ett par topologiska tal, och kontroll av dessa egenskaper kan leda till utveckling av nya kvantoptiska enheter.

"Jag tror att vårt arbete kan leda till en ny generation syntetiska PT-symmetriska system, "Sade Xue." I PT-symmetriska klassiska system, senaste framstegen kan leda till applikationer inom optisk omkoppling, modulation, sensorer, trådlös kraftöverföring, och så vidare. Medan vårt experiment visar Floquet topologiska tillstånd (en speciell topologisk fråga med tids-periodiska driv) som drivs av PT-symmetrisk kvantdynamik, det ger en ny plattform där samspelet mellan PT-symmetrisk kvantdynamik och topologiska egenskaper inte bara erbjuder en kvantmekanisk version av PT-symmetriska system, men kan också leda till potentiella tillämpningar inom kvantinformation, kvantberäkning, och kvantavkänning. "

© 2017 Phys.org