Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο Tohoku ανέπτυξαν μια νέα θεωρητική προσέγγιση που αποκαλύπτει πότε η ενίσχυση ενός κβαντικού σήματος εξαρτάται αποκλειστικά από την αρχική και την τελική κατάσταση ενός συστήματος και όχι από τη διαδρομή που ακολουθεί.
Η μελέτη δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό Physical Review Research και αφορά τη μη-ερμιτιανή κβαντική μηχανική, έναν τομέα που εξετάζει συστήματα τα οποία ανταλλάσσουν ενέργεια με το περιβάλλον τους.
Ένα νέο γεωμετρικό φαινόμενο
Στη συμβατική κβαντική μηχανική, η γεωμετρία των κβαντικών καταστάσεων χρησιμοποιείται για την κατανόηση φαινομένων όπως η ηλεκτρική αγωγιμότητα και η υπεραγωγιμότητα. Ωστόσο, στη μη-ερμιτιανή κβαντική μηχανική πολλά γεωμετρικά χαρακτηριστικά παραμένουν ελάχιστα κατανοητά.
Οι ερευνητές αναζήτησαν γεωμετρικά φαινόμενα που εμφανίζονται αποκλειστικά σε αυτή την κατηγορία συστημάτων και δεν έχουν αντίστοιχο στη συμβατική κβαντική θεωρία.
Ο ρόλος του παράγοντα Petermann
Η έρευνα συνέδεσε για πρώτη φορά δύο έννοιες που μέχρι σήμερα θεωρούνταν ανεξάρτητες. Οι επιστήμονες απέδειξαν ότι ο παράγοντας Petermann, ο οποίος περιγράφει τη μη ορθογωνικότητα των ιδιοκαταστάσεων ενός συστήματος, καθορίζει άμεσα τη γεωμετρική συνιστώσα της αδιαβατικής ενίσχυσης ενός κβαντικού σήματος.
Όταν το σύστημα διαθέτει συγκεκριμένες συμμετρίες, όπως η αμοιβαιότητα στη διάδοση των σημάτων προς αντίθετες κατευθύνσεις, η ενίσχυση δεν εξαρτάται πλέον από τη διαδρομή που ακολουθεί το σύστημα, αλλά μόνο από την αναλογία των παραγόντων Petermann μεταξύ αρχικής και τελικής κατάστασης.
Επιβεβαίωση μέσω προσομοιώσεων
Η θεωρητική πρόβλεψη επιβεβαιώθηκε με αριθμητικές προσομοιώσεις σε δύο ρεαλιστικά φυσικά μοντέλα. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η συμπεριφορά της ενίσχυσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί ακόμη και για την πειραματική μέτρηση του παράγοντα Petermann, μιας ποσότητας που μέχρι σήμερα ήταν ιδιαίτερα δύσκολο να προσδιοριστεί.
Νέες προοπτικές στην κβαντική τεχνολογία
Οι ερευνητές σχεδιάζουν πλέον να επεκτείνουν το μοντέλο τους σε πιο σύνθετα κβαντικά συστήματα και σε μη αδιαβατικές διεργασίες που περιλαμβάνουν μη-ερμιτιανές τοπολογικές μεταβάσεις φάσης.
Η νέα εργασία συμβάλλει στην καλύτερη κατανόηση της γεωμετρίας στη μη-ερμιτιανή κβαντική μηχανική και θα μπορούσε να οδηγήσει σε πιο αποδοτικές τεχνολογίες κβαντικών αισθητήρων, φωτονικών συστημάτων και συσκευών επεξεργασίας κβαντικών πληροφοριών.
