Dans un certain sens, la physique est l'étude des symétries de l'univers. Les physiciens s'efforcent de comprendre comment les systèmes et les symétries changent sous diverses transformations.

Une nouvelle recherche de l'Université de Washington à St. Louis réalise l'un des premiers systèmes quantiques symétriques à temps de parité (PT), permettant aux scientifiques d'observer comment ce type de symétrie - et l'acte de la briser - conduit à des phénomènes inexplorés auparavant. Les travaux du laboratoire de Kater Murch, professeur agrégé de physique en Arts &Sciences, est publié le 7 octobre dans la revue Physique de la nature .

D'autres expériences ont démontré la symétrie PT dans des systèmes classiques tels que des pendules couplés ou des dispositifs optiques, mais ce nouveau travail dans le laboratoire de Murch, ainsi que des expériences en Chine par Yang Wu et al., signalé dans Science Ceci peut, fournit la première réalisation expérimentale d'un système quantique symétrique PT.

"Pour nous, certainement, la plus grande motivation est d'explorer les territoires inconnus de la physique quantique, " a déclaré Mahdi Naghiloo, auteur principal de l'article qui a récemment obtenu son doctorat. à l'Université de Washington. "Nous étions curieux d'explorer expérimentalement les systèmes quantiques lorsqu'ils sont poussés dans le monde complexe et de rechercher des outils puissants qu'ils peuvent offrir."

Ces expériences et les futures expériences de symétrie PT ont des applications potentielles en informatique quantique.

Le reste de l'équipe comprenait Murch; Maryam Abbasi, un étudiant diplômé de l'Université de Washington; et Yogesh Joglekar, un physicien théoricien de l'Indiana University Purdue University Indianapolis (IUPUI).

Une nouvelle symétrie dans les systèmes quantiques

Si vous réfléchissez un système dans un miroir, c'est ce qu'on appelle une transformation de parité. Cette transformation envoie une main droite à une main gauche, et vice versa. Si vous enregistrez une vidéo de l'évolution du système et la lisez à l'envers, c'est l'inversion du temps. Si vous effectuez ces deux transformations simultanément, et le système ressemble à ce qu'il était avant, alors le système a une symétrie PT.

L'étude de la symétrie PT a ses racines de lien à l'Université de Washington, où en 1998, Carl Bender, le professeur émérite de physique Wilfred R. et Ann Lee Konneker, co-auteur d'un article fondateur établissant l'exigence que les systèmes quantiques soient hermitiens n'est pas nécessaire pour qu'ils aient des valeurs énergétiques réelles. Plutôt, l'exigence plus faible de symétrie PT est suffisante. Cette percée a initié un domaine de la physique mathématique dédié à l'étude de tels systèmes.

Sous l'impulsion de Bender, Murch s'intéresse au sujet depuis son arrivée à l'Université de Washington en 2013, mais jusqu'à récemment, personne n'a compris comment faire un système quantique symétrique PT.

Joglekar, un théoricien, était intéressé par la réalisation de systèmes PT sur différentes plates-formes. Il avait travaillé avec des expérimentateurs pour le faire avec des circuits électriques, fluides, photons uniques et atomes ultra-froids. Une discussion fortuite entre Murch et Joglekar fin 2017 a fourni les informations nécessaires.

"Presque immédiatement, nous avons esquissé au tableau exactement quelle était l'idée. Dans 10 minutes, nous avions toute l'idée de l'expérience, " se souvient Murch.

L'équipe a utilisé un circuit supraconducteur, appelé un qubit, pour générer un système quantique à trois états. Le premier état excité a tendance à se désintégrer à l'état fondamental, et les deux états excités ont un couplage oscillatoire. En utilisant une technique appelée post-sélection, l'équipe n'a considéré que les essais où le qubit ne s'est pas désintégré à l'état fondamental, un choix qui donne lieu à une symétrie PT efficace. Contrôler deux paramètres liés à l'énergie du système, ils ont étudié comment le comportement d'évolution temporelle dépendait de ces paramètres.

"La clé de cette expérience était de pouvoir contrôler l'environnement afin que seul l'état excité se désintègre et que les autres états ne se désintègrent pas, et c'était quelque chose que nous pouvions délibérément fabriquer, " Murch a dit. " En même temps, nous pouvons l'initialiser dans un état particulier et ensuite nous pouvons faire ce processus de tomographie d'état quantique, où nous déterminons exactement ce que fait l'état quantique après un certain temps."

Énergies complexes

Les phénomènes étranges que l'équipe a observés proviennent du fait que le système a des énergies complexes, c'est-à-dire ils impliquent la racine carrée de -1.

Chaque nombre complexe a deux racines carrées (par exemple, 4 a 2 et -2 comme racines carrées) sauf pour 0, qui n'en a qu'un (lui-même). Un point où deux valeurs fusionnent en une seule est connu comme une dégénérescence, un concept important dans de nombreux domaines de la physique. Ici, la dégénérescence racine carrée apparaît dans l'espace des paramètres, où cela s'appelle le "point exceptionnel". Ce point divise l'espace des paramètres en une région symétrique PT, où le système oscille dans le temps, et une région brisée par le PT, où le système subit une décroissance. Un tel comportement contraste fortement avec les systèmes quantiques typiques qui oscillent toujours dans le temps.

Une deuxième conséquence des énergies complexes est appelée la coalescence des états propres. Les deux états propres du système, c'est-à-dire les états avec des énergies définies - sont normalement orthogonaux les uns aux autres, une condition analogue à deux droites perpendiculaires. Mais à mesure que le système approche du point d'exception, l'angle entre les états propres diminue jusqu'à ce qu'ils deviennent parallèles au point exceptionnel lui-même, tout comme les racines carrées positives et négatives fusionnent à la valeur unique 0. Jusqu'à présent, ce type de dégénérescence n'avait jamais été vu dans un système quantique.

Applications potentielles à l'informatique quantique

Les travaux de l'équipe ne sont que le début de l'étude expérimentale de la symétrie PT en mécanique quantique. La théorie prédit d'étranges effets géométriques associés à l'encerclement du point exceptionnel, que le laboratoire essaie maintenant de mesurer expérimentalement.

Selon Murch, le « fléau de l'existence d'un ingénieur quantique, " c'est la décohérence, ou la perte d'informations quantiques. Les premiers indices, basé sur des simulations photoniques quantiques de Joglekar et Anthony Laing à l'Université de Bristol en Angleterre, suggèrent que dans la configuration du laboratoire de Murch, la décroissance du premier état excité à l'état fondamental pourrait ralentir le processus de décohérence, offrant la possibilité d'une informatique quantique plus robuste.

La collaboration de symétrie PT entre Murch et Joglekar se poursuit jusqu'à l'automne tandis que Joglekar passe un semestre en tant que professeur invité à l'Université de Washington.

Joglekar a souligné l'importance de la collaboration entre des théoriciens comme lui et des expérimentateurs comme Murch. "C'est une entreprise de va-et-vient très dynamique, " dit-il. " Et ça devrait être comme ça, parce que vous voulez à la fin comprendre la nature. La nature ne se soucie pas de savoir si vous vous appelez théoricien ou expérimentateur."