Dynamiska processer utan jämvikt är centrala i många kvantteknologiska sammanhang. Dock, det har förblivit en nyckelutmaning att identifiera begrepp för deras karaktärisering och klassificering, eftersom de resulterande kvanttillstånden avsiktligt trotsar en beskrivning i termer av statistisk jämviktsfysik för att realisera tillstånd som inte är tillgängliga med konventionella medel. Forskare har nu uppnått en karakterisering i termer av en dynamisk topologisk ordningsparameter för kvantvandringar, som representerar en paradigmatisk klass av icke-jämviktsprocesser.

Koherens i kvantdynamik är kärnan i fascinerande fenomen bortom den klassiska fysikens område, såsom kvantinterferenseffekter, intrasslingsproduktion och geometriska faser.

Kvantprocesser av inneboende dynamisk natur trotsar en beskrivning i termer av en jämviktsstatistisk fysikensemble. Tills nu, Att identifiera allmänna principer bakom den underliggande enhetliga kvantdynamiken som bevarar kvantkoherens är fortfarande en viktig utmaning.

Kvantvandringar ger en kraftfull och flexibel plattform för att experimentellt realisera och undersöka koherent kvanttidsutveckling långt från termisk jämvikt. I motsats till klassiska slumpmässiga promenader, kvantvandringar kännetecknas av kvantöverlagringar av amplituder snarare än klassiska sannolikhetsfördelningar. Denna äkta kvantkaraktär har redan utnyttjats inom olika fysikområden, allt från design av effektiva algoritmer inom kvantinformationsbehandling, observation av korrelerad dynamik och Anderson-lokalisering, till förverkligandet av exotiska fysiska fenomen i kontextens topologiska faser.

Medan den topologiska ordningen kan hämtas i det verkliga rummet, Att få tillgång till den fullständiga komplexa amplitudinformationen som kännetecknar den koherenta superpositionen är fortfarande en av de viktigaste utmaningarna i kvantvandringsexperiment.

I en ny tidning publicerad i Ljusvetenskap och tillämpning , forskare från CAS Key Laboratory of Quantum Information och internationella samarbetspartners rapporterade om direkt observation av en dynamisk topologisk ordningsparameter (DTOP) som ger en dynamisk karakterisering av kvantvandringar.

För detta ändamål, de realiserade en kvantvandring i delat steg i ett fotoniskt system med hjälp av tidsmultiplexering. Med hjälp av en tidigare utvecklad teknik, de uppnådde fulltillståndstomografi av det tidsutvecklade kvanttillståndet i upp till 10 fullständiga tidssteg. Viktigt, detta gav den fullständiga komplexa amplitudinformationen för kvantvandringstillståndet.

"Detta är viktigt för vårt centrala mål med en dynamisk klassificering av kvantvandringen med hjälp av DTOP, eftersom DTOP mäter faslindningstalet ω_D (t) i momentum-rymden, nämligen av den så kallade Pancharatnam geometriska fasen (PGP)".

Från de experimentella resultaten, de fann att dynamiska övergångar mellan topologiskt distinkta klasser av kvantvandringar kan särskiljas unikt av det observerade tidsberoende beteendet hos ω_D (t).

"För en släckning mellan två system med samma topologiska karaktär, vi finner ω_D (t)=0 för alla tidssteg; istället, för en släckning mellan två topologiskt olika system, ω_D (t) börjar också vid ω_D (t=0)=0, men ändrar monotont sitt värde vid vissa kritiska tidpunkter, " lade de till.

Att generalisera dessa observationer, de etablerade vidare ett unikt samband mellan beteendet hos ω_D (t) och förändringen över en parametersläckning i de topologiska egenskaperna hos en effektiv Floquet Hamiltonian som stroboskopiskt beskriver kvantvandringen.

Forskarna drar slutsatsen:"På detta sätt, vi ger ett icke-jämviktsperspektiv på kvantvandringar, vilket kan förstås som en utgångspunkt för att närma sig tidsberoende processer från en inneboende dynamisk vinkel som går bortom begreppet statistisk jämviktsfysik. Med detta och kartläggningen av släckar i ett ekvivalent kvantmångkroppssystem, vårt experiment erbjuder en mångsidig plattform för att studera koherent icke-jämviktsdynamik för många paradigmatiska modeller som Su-Schrieffer-Heeger-modellen, p-vågen Kitaev-kedjan, eller det tvärgående fältet Ising-modellen i framtiden."