Em certo sentido, a física é o estudo das simetrias do universo. Os físicos se esforçam para entender como os sistemas e simetrias mudam sob várias transformações.

Uma nova pesquisa da Washington University em St. Louis realiza um dos primeiros sistemas quânticos simétricos de tempo de paridade (PT), permitindo que os cientistas observem como esse tipo de simetria - e o ato de quebrá-la - leva a fenômenos até então inexplorados. O trabalho do laboratório de Kater Murch, professor associado de física em artes e ciências, é publicado em 7 de outubro na revista Física da Natureza .

Outros experimentos demonstraram simetria PT em sistemas clássicos, como pêndulos acoplados ou dispositivos ópticos, mas este novo trabalho no laboratório de Murch, junto com experimentos na China por Yang Wu et al., relatado em Ciência isso pode, fornece a primeira realização experimental de um sistema quântico simétrico PT.

"Para nós, certamente, a maior motivação é explorar os territórios desconhecidos da física quântica, "disse Mahdi Naghiloo, autor principal do artigo, que recentemente obteve seu Ph.D. na Washington University. "Estávamos curiosos para explorar experimentalmente sistemas quânticos quando eles fossem empurrados para o mundo complexo e procurar ferramentas poderosas que eles possam oferecer."

Esses e os futuros experimentos de simetria PT têm aplicações potenciais para a computação quântica.

O resto da equipe incluía Murch; Maryam Abbasi, um estudante de pós-graduação da Washington University; e Yogesh Joglekar, um físico teórico da Indiana University Purdue University Indianapolis (IUPUI).

Uma nova simetria em sistemas quânticos

Se você reflete um sistema em um espelho, isso é chamado de transformação de paridade. Esta transformação envia uma mão direita para a esquerda, e vice versa. Se você gravar um vídeo da evolução do sistema e reproduzi-lo ao contrário, isso é reversão do tempo. Se você realizar ambas as transformações simultaneamente, e o sistema parece o mesmo de antes, então o sistema tem simetria PT.

O estudo da simetria PT tem suas raízes na Universidade de Washington, onde em 1998 Carl Bender, o Distinto Professor de Física Wilfred R. e Ann Lee Konneker, foi co-autor de um artigo seminal estabelecendo que a exigência de que os sistemas quânticos sejam Hermitianos não é necessário para que tenham valores de energia reais. Em vez, os requisitos mais fracos de simetria PT são suficientes. Essa descoberta deu início a um campo da física matemática dedicado ao estudo de tais sistemas.

Estimulado por Bender, Murch tem se interessado pelo assunto desde que chegou à Washington University em 2013, mas até recentemente, ninguém entendeu como fazer um sistema quântico PT-simétrico.

Joglekar, um teórico, estava interessado em realizar sistemas PT em diferentes plataformas. Ele havia trabalhado com experimentalistas para fazer isso com circuitos elétricos, fluidos, fótons únicos e átomos ultra-frios. Uma discussão fortuita entre Murch e Joglekar no final de 2017 forneceu o insight necessário.

"Quase imediatamente, esboçamos no quadro exatamente qual era a ideia. Em 10 minutos, tivemos toda a ideia para o experimento, "Murch lembrou.

A equipe usou um circuito supercondutor, chamado de qubit, para gerar um sistema quântico de três estados. O primeiro estado excitado tende a decair para o estado fundamental, e os dois estados excitados têm um acoplamento oscilatório. Usando uma técnica chamada pós-seleção, a equipe considerou apenas os ensaios em que o qubit não decaiu ao estado fundamental, uma escolha que dá origem a uma simetria PT efetiva. Controlando dois parâmetros relacionados à energia do sistema, eles estudaram como o comportamento da evolução no tempo dependia desses parâmetros.

"A chave para este experimento foi ser capaz de controlar o ambiente de forma que apenas o estado de excitação decaísse e os outros estados não decaíssem, e isso era algo que poderíamos fabricar deliberadamente, "Murch disse." Ao mesmo tempo, podemos inicializá-lo em um estado particular e então podemos fazer este processo de tomografia de estado quântico, onde estamos descobrindo exatamente o que o estado quântico está fazendo depois de algum tempo. "

Energias complexas

Os fenômenos estranhos que a equipe observou derivam do fato de que o sistema tem energias complexas, ou seja, eles envolvem a raiz quadrada de -1.

Cada número complexo tem duas raízes quadradas (por exemplo, 4 tem 2 e -2 como raízes quadradas), exceto para 0, que tem apenas um (ele mesmo). Um ponto onde dois valores se aglutinam em apenas um é conhecido como degeneração, um conceito importante em muitas áreas da física. Aqui, a degeneração da raiz quadrada aparece no espaço de parâmetros, onde é chamado de "ponto excepcional". Este ponto divide o espaço do parâmetro em uma região PT simétrica, onde o sistema oscila no tempo, e uma região rompida com PT, onde o sistema experimenta decadência. Esse comportamento contrasta fortemente com os sistemas quânticos típicos que sempre oscilam no tempo.

Uma segunda consequência das energias complexas é conhecida como coalescência de estados próprios. Os dois estados próprios do sistema - isto é, os estados com energias definidas - são normalmente ortogonais entre si, uma condição análoga a duas linhas perpendiculares. Mas à medida que o sistema se aproxima do ponto excepcional, o ângulo entre os autoestados diminui até que eles se tornem paralelos no próprio ponto excepcional, assim como as raízes quadradas positivas e negativas se aglutinam no valor único 0. Até agora, esse tipo de degeneração nunca foi visto em um sistema quântico.

Aplicações potenciais para computação quântica

O trabalho da equipe é apenas o início do estudo experimental da simetria PT em mecânica quântica. A teoria prevê estranhos efeitos geométricos associados ao cerco do ponto excepcional, que o laboratório agora está tentando medir em experimentos.

De acordo com Murch, a "ruína da existência de um engenheiro quântico, "é decoerência, ou a perda de informações quânticas. As primeiras indicações, com base em simulações fotônicas quânticas de Joglekar e Anthony Laing da Universidade de Bristol, na Inglaterra, sugerem que na configuração do laboratório Murch, a decadência do primeiro estado excitado para o estado fundamental pode retardar o processo de decoerência, fornecendo a possibilidade de computação quântica mais robusta.

A colaboração de simetria PT entre Murch e Joglekar continua durante o outono, enquanto Joglekar passa um semestre como professor visitante na Universidade de Washington.

Joglekar enfatizou a importância da colaboração entre teóricos como ele e experimentalistas como Murch. "É uma empresa dinâmica de vaivém, "disse ele." E deveria ser assim, porque você quer no final entender a natureza. A natureza não se importa se você se considera um teórico ou experimentalista. "