Forskare har utvecklat en ny geometrisk beskrivning av kvantsystem som kan göra det betydligt enklare att styra och förstärka kvantsignaler. Upptäckten visar att förstärkningen i vissa kvantsystem endast beror på start- och slutpunkten – inte på den väg systemet tar däremellan. Resultatet kan få betydelse för framtidens kvantsensorer, fotoniska kretsar och kvantteknik.
I kvantfysiken finns så kallade icke-hermitiska system, där energi kan både tillföras och förloras. Sådana system används bland annat för att beskriva lasrar, optiska kretsar och andra öppna kvantsystem där omgivningen påverkar utvecklingen.
Till skillnad från traditionella kvantsystem kan dessa uppvisa ovanliga fenomen, exempelvis kraftig signalförstärkning eller exceptionella punkter där systemets egenskaper förändras dramatiskt.
Nu har forskare vid Tohoku University tagit fram en ny geometrisk teori som förklarar när denna förstärkning blir helt oberoende av vilken väg systemet följer.
Geometrin styr förstärkningen
Normalt påverkas utvecklingen hos ett kvantsystem både av dess startpunkt, slutpunkt och hela den bana som systemet följer under utvecklingen.
Forskarna visar dock att detta inte alltid behöver vara fallet.
När ett icke-hermitiskt system uppvisar vissa symmetrier – framför allt så kallad reciprocitet, där signaler kan färdas lika lätt i båda riktningarna – blir förstärkningen istället helt bestämd av systemets början och slut.
Det innebär att forskarna kan förutsäga förstärkningen utan att behöva analysera varje steg i utvecklingen.
Petermann-faktorn spelar huvudrollen
Den nya teorin visar att förstärkningen endast beror på förhållandet mellan så kallade Petermann-faktorer vid start- och slutpunkten.
Petermann-faktorn beskriver hur känsligt ett öppet kvantsystem är för störningar och är sedan tidigare ett viktigt begrepp inom bland annat laserfysik.
Forskarna lyckades matematiskt visa att denna faktor ensam kan avgöra hur stor förstärkningen blir när rätt symmetrier finns närvarande.
Bekräftades med realistiska modeller
För att testa teorin genomförde forskarna numeriska simuleringar av två olika fysikaliskt realistiska modeller.
Simuleringarna bekräftade att den geometriska beskrivningen stämde mycket väl med de beräknade resultaten. Förstärkningen visade sig vara densamma oavsett vilken väg systemet tog mellan två tillstånd – så länge de nödvändiga symmetrierna var uppfyllda.
Kan förenkla framtidens kvantteknik
Resultatet ger forskare ett betydligt enklare sätt att analysera komplexa öppna kvantsystem.
Istället för att behöva simulera hela utvecklingen kan man i vissa fall nöja sig med att analysera systemets start- och slutläge.
Det kan bli värdefullt inom flera områden där exakt kontroll av kvantsignaler är avgörande, exempelvis:
- Kvantkommunikation
- Kvantsensorer
- Integrerad fotonik
- Optiska förstärkare
- Framtida kvantdatorer
Forskarna menar att arbetet också bidrar till en djupare förståelse av den geometri som ligger bakom kvantmekaniken och öppnar nya möjligheter att konstruera stabilare och mer effektiva kvanttekniska komponenter.
Publikationsuppgifter
Tomoki Ozawa et al., Geometric contribution to adiabatic amplification in non-Hermitian systems, Physical Review Research (2025). DOI: 10.1103/PhysRevResearch.7.013173
