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En cierto sentido, la física es el estudio de las simetrías del universo. Los físicos se esfuerzan por comprender cómo cambian los sistemas y las simetrías bajo diversas transformaciones.
Una nueva investigación de la Universidad de Washington en St. Louis da cuenta de uno de los primeros sistemas cuánticos simétricos de paridad-tiempo (PT), permitiendo a los científicos observar cómo ese tipo de simetría, y el acto de romperla, conduce a fenómenos previamente inexplorados. El trabajo del laboratorio de Kater Murch, profesor asociado de física en las artes y las ciencias, se publica el 7 de octubre en la revista Física de la naturaleza .
Otros experimentos han demostrado la simetría PT en sistemas clásicos como péndulos acoplados o dispositivos ópticos, pero este nuevo trabajo en el laboratorio de Murch, junto con los experimentos en China de Yang Wu et al., reportado en Ciencias esto puede, proporciona la primera realización experimental de un sistema cuántico simétrico PT.
"Para nosotros, ciertamente, la mayor motivación es explorar los territorios desconocidos de la física cuántica, "dijo Mahdi Naghiloo, autor principal del artículo que recientemente obtuvo su Ph.D. en la Universidad de Washington. "Teníamos curiosidad por explorar experimentalmente los sistemas cuánticos cuando son empujados al mundo complejo y buscar herramientas poderosas que puedan ofrecer".
Estos y futuros experimentos de simetría PT tienen aplicaciones potenciales para la computación cuántica.
El resto del equipo incluía a Murch; Maryam Abbasi, un estudiante de posgrado de la Universidad de Washington; y Yogesh Joglekar, físico teórico de la Universidad de Indiana, Universidad Purdue de Indianápolis (IUPUI).
Una nueva simetría en sistemas cuánticos
Si refleja un sistema en un espejo, eso se llama transformación de paridad. Esta transformación envía una mano derecha a una mano izquierda, y viceversa. Si graba un video de la evolución del sistema y lo reproduce al revés, eso es la inversión del tiempo. Si realiza ambas transformaciones simultáneamente, y el sistema tiene el mismo aspecto que antes, entonces el sistema tiene simetría PT.
El estudio de la simetría PT tiene sus raíces de enlace en la Universidad de Washington, donde en 1998 Carl Bender, el Profesor Distinguido de Física Wilfred R. y Ann Lee Konneker, fue coautor de un artículo fundamental que establece el requisito de que los sistemas cuánticos no sean hermitianos para que tengan valores energéticos reales. Bastante, el requisito más débil de simetría PT es suficiente. Este gran avance inició un campo de la física matemática dedicado al estudio de tales sistemas.
Estimulado por Bender, Murch ha estado interesado en el tema desde que llegó a la Universidad de Washington en 2013, pero hasta hace poco nadie entendía cómo hacer que un sistema cuántico fuera simétrico.
Joglekar, un teórico, estaba interesado en realizar sistemas de TP en diferentes plataformas. Había trabajado con experimentadores para hacerlo con circuitos eléctricos, fluidos fotones individuales y átomos ultrafríos. Una discusión fortuita entre Murch y Joglekar a fines de 2017 proporcionó la información necesaria.
"Casi inmediatamente, bosquejamos en la pizarra exactamente cuál era la idea. En 10 minutos, teníamos toda la idea del experimento "Recordó Murch.
El equipo utilizó un circuito superconductor, llamado qubit, para generar un sistema cuántico de tres estados. El primer estado excitado tiende a decaer al estado fundamental, y los dos estados excitados tienen un acoplamiento oscilatorio. Usando una técnica llamada post-selección, el equipo consideró solo aquellos ensayos en los que el qubit no decayó al estado fundamental, una elección que da lugar a una simetría PT efectiva. Controlando dos parámetros relacionados con la energía del sistema, estudiaron cómo el comportamiento de la evolución temporal dependía de esos parámetros.
"La clave de este experimento fue poder controlar el medio ambiente para que solo el estado excitado decaiga y los otros estados no decaigan, y eso era algo que podíamos fabricar deliberadamente, "Dijo Murch." Al mismo tiempo, podemos inicializarlo en un estado particular y luego podemos hacer este proceso de tomografía de estado cuántico, donde estamos averiguando exactamente qué está haciendo el estado cuántico después de un período de tiempo ".
Energías complejas
Los fenómenos extraños que observó el equipo provienen del hecho de que el sistema tiene energías complejas, es decir, involucran la raíz cuadrada de -1.
Todo número complejo tiene dos raíces cuadradas (por ejemplo, 4 tiene 2 y -2 como raíces cuadradas) excepto 0, que solo tiene uno (sí mismo). Un punto en el que dos valores se fusionan en uno solo se conoce como degeneración, un concepto importante en muchas áreas de la física. Aquí, la degeneración de la raíz cuadrada aparece en el espacio de parámetros, donde se llama el "punto excepcional". Este punto divide el espacio de parámetros en una región simétrica de PT, donde el sistema oscila en el tiempo, y una región rota con PT, donde el sistema experimenta decadencia. Tal comportamiento contrasta fuertemente con los sistemas cuánticos típicos que siempre oscilan en el tiempo.
Una segunda consecuencia de las energías complejas se conoce como coalescencia de estados propios. Los dos estados propios del sistema, es decir, los estados con energías definidas, normalmente son ortogonales entre sí, una condición análoga a dos líneas que son perpendiculares. Pero a medida que el sistema se acerca al punto excepcional, el ángulo entre los estados propios disminuye hasta que se vuelven paralelos en el punto excepcional mismo, al igual que las raíces cuadradas positivas y negativas se fusionan en el valor único 0. Hasta ahora, este tipo de degeneración nunca se había visto en un sistema cuántico.
Aplicaciones potenciales a la computación cuántica
El trabajo del equipo es solo el comienzo del estudio experimental de la simetría PT en mecánica cuántica. La teoría predice extraños efectos geométricos asociados con rodear el punto excepcional, que el laboratorio ahora está tratando de medir en experimentos.
Según Murch, la "perdición de la existencia de un ingeniero cuántico, "es la decoherencia, o la pérdida de información cuántica. Indicaciones tempranas, basado en simulaciones fotónicas cuánticas de Joglekar y Anthony Laing en la Universidad de Bristol en Inglaterra, sugieren que en la configuración del laboratorio de Murch, la desintegración del primer estado excitado al estado fundamental podría ralentizar el proceso de decoherencia, proporcionando la posibilidad de una computación cuántica más robusta.
La colaboración de simetría PT entre Murch y Joglekar continúa durante el otoño, mientras que Joglekar pasa un semestre como profesor invitado en la Universidad de Washington.
Joglekar enfatizó la importancia de la colaboración entre teóricos como él y experimentadores como Murch. "Es una empresa de ida y vuelta muy dinámica, ", dijo." Y debería ser así, porque al final quieres entender la naturaleza. A la naturaleza no le importa si te llamas teórico o experimentalista ".