在某种意义上，物理学是研究宇宙对称性的学科。物理学家努力理解系统和对称性在各种变换下是如何变化的。
位于圣路易斯的华盛顿大学的一项新研究实现了第一个对等时间(PT)对称量子系统，科学家可以观察到这种对称性
2和打破它的行为是如何导致之前未探索的现象的。这项工作来自Kater Murch的实验室，他是艺术学院的物理学副教授发表在10月7日的《自然物理》(Nature Physics)杂志上。
默奇其他实验已经在诸如耦合摆或光学器件等经典系统中证明了PT对称，但是Murch实验室的这项新工作，以及今年5月发表在《科学》杂志上的Yang Wu等人在中国的实验，为PT对称量子系统提供了第一个实验实现。
“对我们来说，当然，最大的动机是探索量子物理学的未知领域，”论文的第一作者Mahdi Naghiloo说，他最近在华盛顿大学获得了博士学位。“当量子系统被推入复杂的世界时，我们很好奇地进行实验探索，寻找它们可能提供的强大工具
这些和未来的PT对称实验在量子计算中有潜在的应用。
团队的其他成员包括默奇;华盛顿大学研究生Maryam Abbasi;来自印第安纳大学普渡大学印第安纳波利斯分校(IUPUI)的理论物理学家Yogesh Joglekar说。
量子系统的新对称性
如果你在镜子里反射一个系统，这叫做奇偶变换。此转换将右手发送到左手，反之亦然。如果你录下一个系统演变的视频，然后倒着播放，那就是时间倒转。如果你同时进行这两个变换，系统看起来和之前一样，那么系统就有PT对称。
不同类型对称的例子。(图片:默奇实验室)PT对称性的研究源于华盛顿大学,在1998年,卡尔•本德和威尔弗雷德·r·安·李Konneker杰出的物理学教授合著的论文建立量子系统的要求是埃尔米特没有必要为了他们有真正的能源值。相反，PT对称性的弱要求是充分的。这一突破开创了数学物理领域，致力于研究这样的系统。
在本德的鼓励下，默奇自2013年来到华盛顿大学(Washington University)以来一直对这个话题感兴趣，但直到最近，还没有人知道如何让一个量子系统实现普特对称。
Joglekar是一位理论家，他对在不同的平台上实现PT系统很感兴趣。他曾与实验员合作，用电路、液体、单光子和超冷原子来做实验。Murch和Joglekar在2017年末的一次偶然的讨论提供了必要的见解。
几乎立刻，我们就在黑板上勾勒出了我们的想法。十分钟后，我们就有了整个实验的想法，”默奇回忆道。
研究小组使用了一种叫做量子比特的超导电路来产生三态量子系统。第一激发态趋于衰减为基态，两激发态之间存在振荡耦合。使用一种叫做后选择的技术，研究小组只考虑了那些量子位元没有衰减到基态的实验，这种选择产生了有效的PT对称性。通过控制与系统能量相关的两个参数，研究了时间演化行为对这些参数的依赖关系。
“这个实验的关键是能够控制环境，这样激发态就会衰减，其他的状态就不会衰减，这是我们可以故意制造的东西，”默奇说。“同时，我们可以初始化它到一个特定的状态，然后我们可以进行这个量子态断层扫描的过程，在那里我们可以精确地计算出量子态在一段时间后的状态。”
复杂的能量
该团队观察到的奇怪现象源于这样一个事实:系统具有复杂的能量——也就是说，它们包含了-1的平方根。
每个复数都有两个平方根(例如，4有2和-2作为平方根)，除了0,0只有一个平方根。两个值合并成一个的点称为简并度，这是物理学许多领域的一个重要概念。这里，平方根简并出现在参数空间中，它被称为“异常点”。这一点将参数空间分成了两个部分:一个是系统在时间上振荡的pt对称区域，另一个是系统经历衰变的pt破碎区域。这种行为与典型的总是在时间上振荡的量子系统形成了鲜明的对比。
复能的第二个结果被称为本征态的结合。系统的两个特征态，即具有确定能量的态，通常是互相正交的，类似于两条直线垂直的条件。但是当系统接近异常点时，特征态之间的角度减小，直到它们在异常点处变得平行，就像正平方根和负平方根合并到单个值0一样。到目前为止，这种简并度在量子系统中还从未见过。
量子计算的潜在应用
该团队的工作只是量子力学中PT对称性实验研究的开始。理论预测了与环绕异常点相关的奇怪的几何效应，实验室现在正试图在实验中测量这个异常点。
根据默奇的说法，“量子工程师的祸根”是退相干，即量子信息的丢失。早期迹象表明,基于量子光子Joglekar模拟,在英国布里斯托尔大学的安东尼·莱恩认为,默奇实验室的设置、衰变从第一激发态到基态可能减缓脱散的过程中,提供更健壮的量子计算的可能性。
Murch和Joglekar之间的PT对称合作一直持续到秋天，而Joglekar在华盛顿大学做了一个学期的客座教授。
Joglekar强调了他这样的理论家和Murch这样的实验主义者之间合作的重要性。他说:“这是一个非常有活力的企业。”它应该是这样的，因为你想最终了解自然。自然并不在意你称自己为理论家还是实验主义者。”
资助:本研究由国家科学基金资助。
新闻旨在传播有益信息，英文原版地址：https://source.wustl.edu/2019/10/complex-energies-quantum-symmetries/