(Phys.org) —Os físicos demonstraram experimentalmente um sistema óptico baseado em uma classe não convencional de sistemas mecânicos quânticos que poderiam levar ao desenvolvimento de novos dispositivos ópticos quânticos. O sistema é chamado de "caminhada quântica simétrica PT, "já que consiste em fótons únicos que ocupam uma superposição de estados, chamadas caminhadas quânticas, que obedecem à simetria de paridade-tempo (PT) - a propriedade na qual as coordenadas de um sistema no espaço e no tempo podem ter seus sinais invertidos sem alterar inerentemente o sistema.

Os físicos, liderado por Peng Xue na Southeast University em Nanjing, publicaram um artigo sobre as caminhadas quânticas PT-simétricas em uma edição recente da Física da Natureza .

"Apresentamos um trabalho experimental unindo três conceitos - caminhadas quânticas não unitárias em um nível de fóton único, Simetria PT, e estados de borda topológicos originados de fases topológicas de Floquet, "Xue disse Phys.org . "Cada um desses três conceitos atraiu muita atenção nos últimos anos na comunidade científica. A interação desses elementos em nosso sistema experimental sem dúvida dará origem a uma física rica."

Os novos resultados baseiam-se nas descobertas feitas nos últimos 20 anos em relação a uma nova classe de sistemas quânticos chamados hamiltonianos não hermitianos que se desviam dos sistemas quânticos convencionais. Em geral, o hamiltoniano de um sistema quântico, que é uma medida de sua energia total, deve ter autovalores que são reais em vez de números complexos, onde os valores próprios estão associados às propriedades físicas do sistema quântico. Por muitas décadas, pensava-se que os hamiltonianos deviam ser descritos matematicamente usando operadores hermitianos, já que os hermitianos sempre têm autovalores reais.

Embora ser hermitiano seja suficiente para um hamiltoniano ter autovalores reais, em 1998, os físicos descobriram que os hamiltonianos podem ser não hermitianos e ainda ter autovalores reais, desde que obedeçam à simetria PT. Essa descoberta abriu uma nova classe de sistemas quânticos para os físicos explorarem. Atualmente, o estudo de sistemas PT-simétricos não Hermitianos é uma área de pesquisa ativa que é promissora para uma variedade de aplicações, particularmente no campo da óptica.

O novo estudo contribui para esta pesquisa, demonstrando caminhadas quânticas com simetria PT de fóton único. Anteriormente, os físicos investigaram teoricamente esses sistemas, mas o novo estudo marca a primeira demonstração experimental devido aos desafios envolvidos na amplificação de fótons individuais.

"Uma caminhada quântica simétrica PT é uma extensão não unitária da caminhada quântica unitária, que é, por sua vez, uma versão da mecânica quântica do passeio aleatório clássico, "Xue explicou." Assim como os hamiltonianos não-hermitianos com simetria PT ampliam o horizonte da mecânica quântica convencional, uma caminhada quântica simétrica PT representa um novo tipo de caminhada quântica com características únicas que são bastante diferentes daquelas de uma caminhada quântica unitária. "

Esta demonstração, por sua vez, levou os pesquisadores a demonstrar experimentalmente propriedades exóticas chamadas propriedades topológicas de Floquet em caminhadas quânticas PT-simétricas pela primeira vez. Os cientistas observaram que os estados de borda topológicos de Floquet surgem entre regiões com diferentes propriedades topológicas em massa, sugerindo que esses sistemas contêm fenômenos quânticos intrigantes à espera de uma exploração posterior. As propriedades topológicas de Floquet são caracterizadas por um par de números topológicos, e controlar essas propriedades pode levar ao desenvolvimento de novos dispositivos ópticos quânticos.

"Acho que nosso trabalho pode levar a uma nova geração de sistemas PT simétricos sintéticos, "Xue disse." Em sistemas clássicos com simetria PT, o progresso recente pode levar a aplicações em comutação óptica, modulação, sensores, transferência de energia sem fio, e assim por diante. Enquanto nosso experimento demonstra estados topológicos de Floquet (uma questão topológica especial com drives periódicos de tempo) impulsionados por dinâmica quântica simétrica PT, ele fornece uma nova plataforma onde a interação de dinâmica quântica simétrica PT e propriedades topológicas não oferece apenas uma versão mecânica quântica de sistemas simétricos PT, mas também pode levar a aplicações potenciais em informações quânticas, computação quântica, e detecção quântica. "

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