(Phys.org) - Des physiciens ont démontré expérimentalement un système optique basé sur une classe non conventionnelle de systèmes de mécanique quantique qui pourrait conduire au développement de nouveaux dispositifs optiques quantiques. Le système est appelé "marche quantique symétrique PT, " puisqu'il est constitué de photons uniques qui occupent une superposition d'états, appelées marches quantiques, qui obéissent à la symétrie parité-temps (PT) - la propriété dans laquelle les coordonnées d'un système dans l'espace et le temps peuvent avoir leurs signes inversés sans changer intrinsèquement le système.

Les physiciens, dirigé par Peng Xue à l'Université du Sud-Est de Nanjing, ont publié un article sur les marches quantiques symétriques PT dans un récent numéro de Physique de la nature .

« Nous présentons un travail expérimental associant trois concepts :les marches quantiques non unitaires au niveau d'un seul photon, symétrie PT, et états de bord topologiques issus des phases topologiques de Floquet, " Xue a dit Phys.org . "Chacun de ces trois concepts a attiré beaucoup d'attention ces dernières années dans la communauté scientifique. L'interaction de ces éléments dans notre système expérimental donnera sans aucun doute naissance à une physique riche."

Les nouveaux résultats s'appuient sur les découvertes faites au cours des 20 dernières années concernant une nouvelle classe de systèmes quantiques appelés hamiltoniens non hermitiens qui s'écartent des systèmes quantiques conventionnels. En général, l'hamiltonien d'un système quantique, qui est une mesure de son énergie totale, doit avoir des valeurs propres qui sont des nombres réels plutôt que des nombres complexes, où les valeurs propres sont associées aux propriétés physiques du système quantique. Pendant de nombreuses décennies, on pensait que les hamiltoniens devaient être décrits mathématiquement à l'aide d'opérateurs hermitiens, puisque les hermitiens ont toujours de vraies valeurs propres.

Bien qu'être hermitien soit suffisant pour qu'un hamiltonien ait des valeurs propres réelles, en 1998, les physiciens ont découvert que les hamiltoniens peuvent être non hermitiens et avoir encore de vraies valeurs propres, tant qu'ils obéissent à la symétrie PT. Cette découverte a ouvert une toute nouvelle classe de systèmes quantiques à explorer pour les physiciens. Actuellement, l'étude des systèmes non hermitiens symétriques PT est un domaine de recherche active qui est prometteur pour une variété d'applications, notamment dans le domaine de l'optique.

La nouvelle étude contribue à cette recherche en démontrant des marches quantiques symétriques PT à photon unique. Précédemment, les physiciens ont étudié théoriquement ces systèmes, mais la nouvelle étude marque la première démonstration expérimentale en raison des défis liés à l'amplification de photons uniques.

"Une marche quantique symétrique PT est une extension non unitaire de la marche quantique unitaire, qui est à son tour une version quantique de la marche aléatoire classique, " Expliqua Xue. " Tout comme les hamiltoniens non hermitiens symétriques PT élargissent l'horizon de la mécanique quantique conventionnelle, une marche quantique symétrique PT représente un nouveau type de marche quantique avec des caractéristiques uniques assez différentes de celles d'une marche quantique unitaire."

Cette démonstration, à son tour, a conduit les chercheurs à démontrer expérimentalement des propriétés exotiques appelées propriétés topologiques de Floquet dans des marches quantiques symétriques PT pour la première fois. Les scientifiques ont observé que les états de bord topologiques de Floquet surviennent entre des régions ayant des propriétés topologiques en vrac différentes, suggérant que ces systèmes contiennent des phénomènes quantiques intrigants qui attendent une exploration plus approfondie. Les propriétés topologiques de Floquet sont caractérisées par un couple de nombres topologiques, et le contrôle de ces propriétés peut conduire au développement de nouveaux dispositifs optiques quantiques.

"Je pense que notre travail peut conduire à une nouvelle génération de systèmes synthétiques PT-symétriques, " dit Xue. " Dans les systèmes classiques symétriques PT, les progrès récents peuvent conduire à des applications dans la commutation optique, modulation, capteurs, transfert de puissance sans fil, etc. Alors que notre expérience démontre des états topologiques de Floquet (une matière topologique spéciale avec des commandes temporelles) pilotés par la dynamique quantique symétrique PT, il fournit une nouvelle plate-forme où l'interaction de la dynamique quantique symétrique PT et des propriétés topologiques offre non seulement une version mécanique quantique des systèmes symétriques PT, mais peut également conduire à des applications potentielles dans l'information quantique, calcul quantique, et la détection quantique."

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