La fisica, da un certo punto di vista, consiste nello 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 a parità di tempo (PT) , che consente 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 Arts & Sciences, è stato pubblicato il 7 ottobre sulla rivista Nature Physics .

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., riportato su Science a maggio, fornisce la prima realizzazione sperimentale di un Sistema quantico simmetrico PT.

Per noi, certamente, la più grande motivazione è esplorare i territori sconosciuti della fisica quantistica“, ha dichiarato Mahdi Naghiloo, che ha recentemente conseguito il suo dottorato di ricerca alla Washington University. “Eravamo curiosi di esplorare sperimentalmente i sistemi quantistici quando vengono spinti nel mondo complesso “.

Questi e futuri esperimenti di simmetria PT hanno potenziali applicazioni al calcolo quantistico.

Il resto della squadra includeva Murch; Maryam Abbasi, studentessa laureata alla Washington University; e Yogesh Joglekar, fisico teorico della Indiana University Purdue University Indianapolis (IUPUI).

Una nuova simmetria nei sistemi quantistici

Se rifletti un sistema in uno specchio, si parla di trasformazione di parità. Questa trasformazione invia una mano destra a una sinistra e viceversa. Se registri un video sull’evoluzione del sistema e lo riproduci all’indietro, è l’inversione del tempo. Se si eseguono entrambe queste trasformazioni contemporaneamente e il sistema ha lo stesso aspetto di prima, il sistema presenta una simmetria PT.

Esempi di diversi tipi di simmetria. (Immagine: laboratorio Murch)
Esempi di diversi tipi di simmetria. (Immagine: laboratorio Murch)

Lo studio della simmetria PT ha le sue radici nella Washington University , dove nel 1998 Carl Bender, Wilfred R. e Ann Lee Konneker Distinguished Professor of Physics, hanno scritto un articolo fondamentale secondo cui il requisito per cui i sistemi quantistici devono essere “eremiti” non è necessario per avere valori energetici reali. I requisiti più deboli della simmetria PT sono sufficienti. Questa svolta ha avviato un campo della fisica matematica dedicato allo studio di tali sistemi.

Spinto da Bender, Murch si è interessato all’argomento da quando è arrivato alla Washington University nel 2013, ma fino a poco tempo fa nessuno ha capito come rendere un sistema quantistico PT simmetrico.

Joglekar, un teorico, era interessato a realizzare sistemi PT su piattaforme diverse, ma una discussione fortuita con Murch alla fine del 2017 ha fornito spunti necessarie su cui lavorare.

Quasi immediatamente, abbiamo disegnato alla lavagna esattamente quale fosse l’idea. In 10 minuti abbiamo avuto l’intera idea per l’esperimento“, ha ricordato Murch.

Il team ha utilizzato un circuito superconduttore, chiamato qubit, per generare un sistema quantico a tre stati. Il primo stato eccitato tende a decadere allo stato fondamentale e i due stati eccitati hanno una connessione oscillatoria. Usando 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 origine a un’efficace simmetria PT. Controllando due parametri relativi all’energia del sistema, hanno studiato come il comportamento del tempo-evoluzione dipendesse da quei parametri.

La chiave di questo esperimento è stata quella di essere in grado di controllare l’ambiente in modo che solo lo stato eccitato decadesse e gli altri stati non decadessero, e questo era qualcosa che potevamo produrre deliberatamente“, ha detto Murch. “Allo stesso tempo, possiamo inizializzarlo in un particolare stato e quindi possiamo fare questo processo di tomografia a stati quantici, in cui stiamo scoprendo 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 solo una (se stessa). 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 si chiama “punto eccezionale“. Questo punto divide lo spazio dei parametri in una regione simmetrica PT, dove il sistema oscilla nel tempo, e una regione rotta PT, in cui il sistema subisce un decadimento. Tale comportamento è in netto contrasto con i tipici sistemi quantistici che oscillano sempre nel tempo.

Una seconda conseguenza delle energie complesse viene definita coalescenza di autostati. I due autostati del sistema – cioè gli stati con energie definite – sono normalmente ortogonali tra loro, una condizione analoga a due linee essendo perpendicolare. Ma quando il sistema si avvicina al punto eccezionale, l’angolo tra gli autostati diminuisce fino a quando non diventano parallele 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 al calcolo quantistico

Il lavoro del team è solo l’inizio dello studio sperimentale della simmetria PT nella meccanica quantistica. La teoria prevede strani effetti geometrici associati a circondare il punto eccezionale, che il laboratorio sta ora cercando di misurare in esperimenti.

Secondo Murch, la “rovina dell’esistenza di un ingegnere quantistico” è la decoerenza o la perdita di informazioni quantistiche. Le prime indicazioni, basate su simulazioni fotoniche quantistiche di Joglekar e Anthony Laing presso l’Università di Bristol in Inghilterra, suggeriscono che nel set-up del laboratorio di Murch, il decadimento dal primo stato eccitato allo stato fondamentale potrebbe rallentare il processo di decoerenza, fornendo la possibilità di una più solida elaborazione quantistica.

La collaborazione di simmetria PT tra Murch e Joglekar continua durante l’autunno mentre Joglekar trascorre un semestre come professore ospite alla Washington University.

Joglekar ha sottolineato l’importanza della collaborazione tra teorici come lui e sperimentatori come Murch. “È un’impresa molto dinamica“, ha detto. “E dovrebbe essere così, perché alla fine vuoi capire la natura. Alla natura non importa se ti definisci un teorico o uno sperimentatore

Ulteriori informazioni: Tomografia a stati quantici attraverso il punto eccezionale in un singolo qubit dissipativo, Nature Physics (2019). DOI: 10.1038 / s41567-019-0652-z , https://nature.com/articles/s41567-019-0652-z

Informazioni sul diario: Nature Physics , Science

Fonte: Washington University di St. Louis