I viss mening, fysik är studiet av universums symmetrier. Fysiker strävar efter att förstå hur system och symmetrier förändras under olika transformationer.

Ny forskning från Washington University i St. Louis inser ett av de första symmetriska kvantsystemen med paritetstid (PT), låta forskare observera hur den typen av symmetri - och handlingen att bryta den - leder till tidigare outforskade fenomen. Arbetet från laboratoriet i Kater Murch, docent i fysik i konst och vetenskap, publiceras den 7 oktober i tidningen Naturfysik .

Andra experiment har visat PT -symmetri i klassiska system som kopplade pendlar eller optiska enheter, men det här nya arbetet i Murchs lab, tillsammans med experiment i Kina av Yang Wu et al., rapporterade i Vetenskap i maj, ger den första experimentella förverkligandet av ett PT-symmetriskt kvantsystem.

"För oss, säkert, den största motivationen är att utforska de okända territorierna för kvantfysik, "sa Mahdi Naghiloo, huvudförfattare till tidningen som nyligen tog sin doktorsexamen vid Washington University. "Vi var nyfikna på att experimentellt utforska kvantsystem när de skjuts in i den komplexa världen och letar efter kraftfulla verktyg de kan erbjuda."

Dessa och framtida PT -symmetriförsök har potentiella tillämpningar för kvantberäkning.

Resten av teamet inkluderade Murch; Maryam Abbasi, en doktorand vid Washington University; och Yogesh Joglekar, en teoretisk fysiker från Indiana University Purdue University Indianapolis (IUPUI).

En ny symmetri i kvantsystem

Om du speglar ett system i en spegel, det kallas en paritetstransformation. Denna omvandling skickar en höger hand till en vänster hand, och vice versa. Om du spelar in en video av systemets utveckling och spelar den bakåt, det är tidsomvändning. Om du utför båda dessa transformationer samtidigt, och systemet ser ut som det gjorde tidigare, då har systemet PT -symmetri.

Studiet av PT -symmetri har sina länkarötter vid Washington University, var 1998 Carl Bender, Wilfred R. och Ann Lee Konneker, framstående professor i fysik, var medförfattare till ett grundläggande dokument som fastställer kravet på att kvantsystem är hermitiska är inte nödvändigt för att de ska ha verkliga energivärden. Snarare, det svagare kravet på PT -symmetri är tillräckligt. Detta genombrott initierade ett område inom matematisk fysik som ägnade sig åt att studera sådana system.

Spenderad av Bender, Murch har varit intresserad av ämnet sedan han kom till Washington University 2013, men tills nyligen, ingen förstod hur man gör ett kvantsystem PT-symmetriskt.

Joglekar, en teoretiker, var intresserad av att förverkliga PT -system på olika plattformar. Han hade arbetat med experimenter för att göra det med elektriska kretsar, vätskor, enstaka fotoner och ultrakalla atomer. En slumpmässig diskussion mellan Murch och Joglekar i slutet av 2017 gav den nödvändiga insikten.

"Nästan omedelbart, vi skisserade på tavlan exakt vad tanken var. Om 10 minuter, vi hade hela idén för experimentet, "Minns Murch.

Teamet använde en supraledande krets, kallas en qubit, att generera ett kvantsystem med tre tillstånd. Det första upphetsade tillståndet tenderar att förfalla till grundtillståndet, och de två exciterade tillstånden har en oscillerande koppling. Med hjälp av en teknik som kallas efterval, laget övervägde endast de försök där qubit inte förfallit till grundtillståndet, ett val som ger upphov till effektiv PT -symmetri. Styr två parametrar relaterade till systemets energi, de studerade hur tidsutvecklingsbeteendet berodde på dessa parametrar.

"Nyckeln till detta experiment var att kunna kontrollera miljön så att bara det upphetsade tillståndet förfaller och de andra staterna inte förfaller, och det var något som vi medvetet kunde tillverka, "Sa Murch." Samtidigt, vi kan initiera det till ett visst tillstånd och sedan kan vi göra denna process med kvanttillståndstomografi, där vi räknar ut exakt vad kvanttillståndet gör efter en viss tid. "

Komplexa energier

De konstiga fenomen som teamet observerade härrör från att systemet har komplexa energier - det vill säga de involverar kvadratroten av -1.

Varje komplext tal har två kvadratrötter (t.ex. 4 har 2 och -2 som kvadratrötter) förutom 0, som bara har en (sig själv). En punkt där två värden sammanfaller till bara en är känd som en degeneration, ett viktigt begrepp inom många fysikområden. Här, kvadratrots degenerering visas i parameterutrymmet, där det kallas "exceptionell punkt". Denna punkt delar parameterutrymme i en PT-symmetrisk region, där systemet pendlar i tid, och en PT-trasig region, där systemet upplever förfall. Sådant beteende står i skarp kontrast till typiska kvantsystem som alltid pendlar i tid.

En andra konsekvens av de komplexa energierna kallas koalescens av egenstater. Systemets två egenstater - det vill säga staterna med bestämda energier - är normalt ortogonala mot varandra, ett tillstånd som är analogt med att två linjer är vinkelräta. Men när systemet närmar sig den exceptionella punkten, vinkeln mellan egenstaterna minskar tills de blir parallella vid själva exceptionella punkten, precis som de positiva och negativa kvadratrötterna sammanfaller till det enda värdet 0. Fram till nu, denna typ av degeneration hade aldrig setts i ett kvantsystem.

Potentiella applikationer för kvantberäkning

Teamets arbete är bara början på den experimentella studien av PT -symmetri i kvantmekanik. Teori förutspår konstiga geometriska effekter som är förknippade med att omringa den exceptionella punkten, som labbet nu försöker mäta i experiment.

Enligt Murch, "banan för en kvantingenjörs existens, "är avkoherens, eller förlust av kvantinformation. Tidiga indikationer, baserat på kvantfotoniska simuleringar av Joglekar och Anthony Laing vid University of Bristol i England, föreslå att i Murch labs upplägg, sönderfallet från det första upphetsade tillståndet till grundtillståndet kan sakta ner processen för dekoherens, ger möjlighet till mer robust kvantberäkning.

PT -symmetri -samarbetet mellan Murch och Joglekar fortsätter under hösten medan Joglekar tillbringar en termin som gästprofessor vid Washington University.

Joglekar betonade vikten av samarbete mellan teoretiker som han själv och experimentalister som Murch. "Det är ett mycket dynamiskt fram och tillbaka företag, "sa han." Och det borde vara så, för att du i slutändan vill förstå naturen. Naturen bryr sig inte om du kallar dig själv teoretiker eller experimentist. "