Физики доказали принципиальную невозможность эффективного обнаружения нового типа симметрии

Исследователи из Техасского университета в Остине показали, что обнаружение спонтанного нарушения симметрии от сильной к слабой (SW-SSB) в открытых квантовых системах принципиально невозможно с помощью эффективных протоколов. Их работа опубликована в журнале Physical Review Letters.

Открытые квантовые системы могут обмениваться энергией, частицами и информацией со своей средой. Авторы: Фэн, Чэн и Ипполити.

Спонтанное нарушение симметрии (SSB) — ключевое понятие в физике, описывающее, как система в низшем энергетическом состоянии теряет симметрию, присущую её законам. В открытых квантовых системах, взаимодействующих с окружением, может происходить особый тип SSB — переход от «сильной» симметрии (когда система и среда по отдельности симметричны) к «слабой» (когда симметрия сохраняется только для системы и среды вместе). Считается, что этот переход может порождать новые фазы материи.

Система квантовых спинов может претерпевать SSB, коллективно поляризуясь в одном направлении (справа). Обнаружить это легко, измерив намагниченность. Открытая система также может подвергаться SWSSB (слева), где её картина нарушения симметрии зависит от состояния среды (представленного разными цветами). Обнаружение этого явления требует огромного количества данных. Авторы: Фэн, Чэн и Ипполити.

Главной проблемой оставалось экспериментальное обнаружение этого перехода. Для обычного SSB существует легко измеряемый параметр порядка, например, намагниченность. Для SW-SSB известные параметры порядка являются информационно-теоретическими величинами, измерение которых требует экспоненциально большого объёма данных, что делает их практическое использование невозможным.

Учёные использовали подходы из области квантовой криптографии. Они «зашифровали» определённые состояния, лишённые SW-SSB, таким образом, что ни один эффективный эксперимент не смог бы отличить их от состояний, обладающих SW-SSB.

«Наша работа отвечает на ключевой открытый вопрос: можно ли эффективно обнаружить SW-SSB? Мы показываем, что в самом общем случае ответ — нет», — заявили соавторы работы Маттео Ипполити и Сяочжоу Фэн.

Это означает, что известные сегодня параметры порядка, требующие экспоненциального объёма данных, являются по сути лучшим из возможного. Данный результат исключает возможность изучения этих фаз в квантовых экспериментах масштабируемым способом, включая подходы с использованием искусственного интеллекта и машинного обучения.

В будущем исследователи планируют усовершенствовать криптографические методы и применить их для изучения других типов фаз в квантовой материи, учитывая больше предварительной информации о системе, которая может быть доступна в реальных экспериментах.