ricercatori presso l’Università di Scienza e Tecnologia di Hong Kong (HKUST) hanno dimostrato un nuovo modo per controllare lo stato quantistico attraverso la perdita di particelle, un processo che di solito viene evitato nel dispositivo quantistico, offrendo una nuova via verso la realizzazione degli stati quantistici.

La manipolazione di un sistema quantistico richiede un controllo sottile dello stato quantistico con zero operazioni imperfette, altrimenti le informazioni utili codificate negli stati quantistici vengono confuse. Uno dei processi dannosi più comuni è la perdita di particelle che costituiscono il sistema. Questo problema è stato a lungo considerato un nemico del controllo quantistico ed è stato evitato attraverso l’isolamento del sistema. Ma ora, i ricercatori dell’HKUST hanno scoperto un modo che potrebbe ottenere il controllo quantistico dalla perdita in un sistema quantistico atomico.

Il ritrovamento è stato pubblicato di recente in Fisica della natura.

prof. Gyu-Boong JO, ricercatore capo dello studio e professore associato di fisica Hari Harilela presso HKUST, ha affermato che il risultato ha dimostrato la perdita come potenziale manopola per il controllo quantistico.

“Il libro di testo ci ha insegnato che nella meccanica quantistica, il sistema di interesse non subirà una perdita di particelle poiché è ben isolato dall’ambiente”, ha affermato il prof. Jo. “Tuttavia, un sistema aperto, che va da quelli classici a quelli quantistici, è onnipresente. Tali sistemi aperti, descritti in modo efficace dalla fisica non hermitiana, mostrano vari fenomeni controintuitivi che non possono essere osservati nel sistema hermitiano.

L’idea della fisica non hermitiana con perdita è stata attivamente esaminata nei sistemi classici, ma tali fenomeni controintuitivi sono stati realizzati e osservati solo di recente nei sistemi quantistici autentici. Nello studio, i ricercatori di HKUST hanno regolato i parametri dei sistemi in modo tale da spazzare via un circuito chiuso attorno a un punto speciale, noto anche come punto eccezionale che si verifica nel sistema non hermitiano. Si è scoperto che la direzione del ciclo (cioè se va in senso orario o antiorario) determina lo stato quantico finale.

Jensen LI, professore di fisica presso HKUST e l’altro leader del team, ha affermato: “Questo comportamento chirale di uno stato quantistico direzionale che si trasferisce attorno a un punto eccezionale può essere un ingrediente importante nel controllo quantistico. Siamo al punto di partenza nel controllo dei sistemi quantistici non hermitiani”.

Un’altra implicazione dei risultati è come due meccanismi apparentemente non correlati: fisica non hermitiana (indotta dalla perdita) e accoppiamento spin-orbita, interazione. L’accoppiamento spin-orbita (SOC) è un meccanismo essenziale alla base di fenomeni quantistici intriganti come l’isolante topologico, che si comporta come un isolante al suo interno ma i cui elettroni di flusso superficiale agiscono come un conduttore.

Nonostante i maggiori progressi nella fisica non hermitiana, un meccanismo SOC è ampiamente studiato solo nei sistemi hermitiani, molto meno è noto sperimentalmente sul ruolo principale svolto dalla perdita nei sistemi quantistici accoppiati a spin-orbita. La migliore comprensione di tale SOC non hermitiano è di fondamentale importanza per lo sviluppo di nuovi materiali, ma rimane sfuggente nell’area della fisica della materia condensata.

In questo lavoro, tuttavia, i ricercatori hanno realizzato per la prima volta un sistema dissipativo accoppiato a spin-orbita per atomi ultrafreddi, caratterizzando completamente il suo stato quantistico e dimostrando il controllo quantistico chirale nel contesto della fisica non hermitiana. Questa scoperta pone le basi per l’esplorazione futura della fisica dell’accoppiamento spin-orbita nel regime non hermitiano e mette in evidenza le notevoli capacità dei sistemi quantistici non hermitiani di realizzare, caratterizzare e sfruttare due meccanismi fondamentali, vale a dire la perdita e SOC, fornendo un Un nuovo approccio per simulare con precisione tali meccanismi concorrenti in un simulatore quantistico altamente controllabile con atomi ultrafreddi.

La ricerca è stata finanziata dal Research Grants Council di Hong Kong, dalla Croucher Foundation e dalla Harilela Foundation.