Когда система претерпевает трансформацию, но её основное физическое свойство остаётся неизменным, это свойство называется «симметрией». Спонтанное нарушение симметрии (СНС) происходит, когда система нарушает эту симметрию, когда она наиболее стабильна или находится в состоянии с наименьшей возможной энергией.
Недавно физики обнаружили, что новый тип одностороннего симметрии может возникать в открытых квантовых системах, управляемых квантово-механическими эффектами, которые могут обмениваться информацией, энергией или частицами с окружающей средой. В частности, они обнаружили, что симметрия в этих системах может быть «сильной» или «слабой».
Сильная симметрия подразумевает, что как открытая система, так и окружающая её среда по отдельности подчиняются симметрии. Слабая симметрия, напротив, имеет место, когда система и окружающая среда подчиняются симметрии только в совокупности.
Когда сильная симметрия спонтанно нарушается до слабой, могут возникать новые фазы материи. Хотя эта идея широко обсуждалась, обнаружение этого перехода от сильной симметрии к слабой оказалось весьма сложной задачей.
Исследователи из Техасского университета в Остине провели исследование, целью которого было выяснить, возможно ли на самом деле обнаружение смешанных сильных и слабых односторонних синфазных сигналов.
В их статье, опубликованной в Physical Review Letters, показано, что ни один эффективный протокол не может надежно обнаружить этот переход, поскольку даже самые сложные методы не способны отличить некоторые симметричные состояния от состояний с нарушенной симметрией.
«Физики всегда ищут новые фазы материи», — рассказали Phys.org Маттео Ипполити и Сяочжоу Фэн, соавторы статьи.
«Очень полезный способ представления фаз материи — это рассмотрение её в терминах однофазного состояния. Например, атомы в твёрдом теле нарушают симметрию пространства, образуя кристаллическую решётку, в отличие от атомов в газе, которые могут находиться в любой точке пространства с равной вероятностью.
«Это нарушение симметрии является спонтанным в том смысле, что оно не навязано извне, а является следствием взаимодействий между самими атомами и может быть использовано в качестве определения фаз материи».
Давняя проблема физики
Спонтанное нарушение симметрии от сильного к слабому (SW-SSB) стало предметом многочисленных физических исследований. Тем не менее, до сих пор никому не удалось наблюдать или обнаружить этот переход экспериментально.
«Главной загадкой было то, как определить, демонстрирует ли система SW-SSB», — говорят Ипполити и Фэн.
«Для обычного одностороннего бокового столкновений (SSB) это очень просто: можно измерить «параметр порядка», например, намагниченность магнита, что даёт прямое доказательство SSB. Однако для SW-SSB ситуация совершенно иная: все предложенные до сих пор параметры порядка являются информационно-теоретическими величинами, которые трудно измерить, в том смысле, что они требуют чрезмерно большого (вплоть до экспоненциального по числу частиц) объёма экспериментальных данных».
Основной целью данного исследования было определить, является ли SW-SSB необнаружимым или же более эффективные инструменты или протоколы позволят его обнаружить. Для этого авторы опирались на недавнюю литературу в области квантовой криптографии , которая фокусируется на использовании квантово-механических эффектов для защиты коммуникаций или сокрытия информации.
«Идея нашего подхода проста: мы «шифруем» определенные состояния, в которых отсутствует SW-SSB, таким образом, что никакой эффективный эксперимент не может отличить их от состояний, в которых есть SW-SSB», — объясняют авторы.
«Это показывает, что не может быть общего и эффективного протокола, обнаруживающего SW-SSB: если бы такой протокол существовал, его можно было бы использовать для различения двух наборов состояний, что приводит к противоречию».
В рамках своего исследования исследователи попытались создать шифрование, не влияющее на наличие или отсутствие SW-SSB в системе со смешанным состоянием. В конечном итоге им удалось добиться этого для двух известных и часто наблюдаемых симметрий: дискретной симметрии, наблюдаемой в некоторых магнитах, и непрерывной симметрии, связанной с сверхпроводимостью.
Выводы группы и их значение для будущих исследований
Используя методы, основанные на квантовой криптографии, Фэн, Ипполити и Чэн показали, что ни один из существующих протоколов не способен различать смешанные квантовые состояния, которые подвергаются и не подвергаются SW-SSB. Это говорит о том, что обнаружение этого перехода принципиально сложно, независимо от используемых инструментов.
«Наша работа отвечает на ключевой открытый вопрос: можно ли эффективно обнаруживать сигналы SW-SSB?» — заявили Фэн и Ипполити.
Мы показываем, что ответ в самом общем случае — нет: известные сегодня параметры порядка, для которых может потребоваться экспоненциальное количество данных, по сути, являются наилучшими, которые можно получить без дополнительных подсказок. Это исключает возможность масштабируемого изучения этих фаз в квантовых экспериментах, в том числе с помощью методов искусственного интеллекта и машинного обучения.
В будущем это исследование может вдохновить других физиков на изучение аспектов квантовой физики многих тел с использованием концепций, связанных с криптографией. Тем временем исследователи планируют усовершенствовать используемые ими методы, основанные на криптографии, и использовать их для проведения дальнейших исследований.
«Наша работа применима к ситуации «черного ящика», которая весьма естественна в криптографии, но, возможно, в меньшей степени в физике», — добавляют авторы.
В этой идеализированной ситуации экспериментатору предоставляется доступ к копиям квантового состояния без какого-либо дополнительного контекста. В реальности квантовые эксперименты имеют доступ к большому объёму априорной информации о системе, которую можно использовать для улучшения протоколов обучения, включая потенциальное обнаружение SW-SSB.
«В будущем будет интересно включить больше этой априорной информации и ужесточить требования к эффективному изучению фаз материи в открытых системах. Также будет интересно применить этот подход к другим типам фаз или явлений в квантовой материи».
Ведёт расследования о коррупции в любых эшелонах власти
