Symmetri är ett centralt begrepp inom fysiken som beskriver när en egenskap förblir oförändrad under en transformation i ett system. När denna symmetri plötsligt bryts i det mest stabila tillståndet av systemet, talar man om spontan symmetribrytning (SSB).
En klassisk illustration är når atomer i ett fast ämne organiserar sig till ett regelbundet kristallgitter, vilket bryter rumssymmetrin som annars skulle gälla för en gas där atomerna är mer slumpmässigt fördelade.
Nyligen har forskare uppmärksammat en mer subtil form av SSB som kan inträffa i öppna kvantsystem – system där kvantmekaniska effekter samspelar med omgivningen genom informations-, energi- eller partikelutbyte. Här introduceras begreppen stark och svag symmetri: stark symmetri innebär att både system och miljö var för sig uppvisar symmetrin, medan svag symmetri först manifesteras när system och miljö betraktas i samverkan. En spontan övergång från stark till svag symmetri (SW-SSB) skulle kunna ge upphov till helt nya faser av materia, något som fångat fysikernas intresse.
Trots denna teoretiska potential har det visat sig oerhört svårt att experimentellt detektera övergången från stark till svag symmetri. En studie av forskare vid University of Texas i Austin, publicerad i Physical Review Letters, har bidragit med viktiga insikter som förklarar denna svårighet. Forskarna utforskade möjligheten att identifiera så kallade blandade tillstånd där systemet gradvis övergår från stark till svag symmetri, och om det fanns effektiva protokoll för att göra detta pålitligt.
I sin analys använde teamet koncept och tekniker hämtade från kvantkryptografi, ett område som utvecklats för att utnyttja kvantmekaniska principer för att skydda information. Genom att ”kryptera” vissa tillstånd utan SW-SSB på ett sådant sätt att de blev experimentellt omöjliga att skilja från tillstånd med SW-SSB, visade de att det inte existerar något allmänt effektivt protokoll som kan detektera denna symmetribrytningsövergång. Om ett sådant protokoll hade funnits, skulle det bryta mot fundamentala principer inom kvantinformationsteori.
Credit: Feng, Cheng & Ippoliti.
Studien lyckades till och med utveckla denna metod för två viktiga symmetrier inom fysiken: en diskret symmetri som förekommer i vissa magnetiska system och en kontinuerlig symmetri relevant för fenomen såsom supraledning. Resultaten indikerar alltså att den nuvarande metodologin inte kan skilja mellan SW-SSB och symmetriska tillstånd utan denna brytning, vilket pekar på en grundläggande experimentell begränsning.
Detta har avgörande implikationer för framtida forskning. Det innebär att ordningsparametrar som hittills föreslagits, vilka ofta kräver enorma datamängder och komplexa mätningar, i praktiken är det bästa vi kan hoppas på idag. Det utesluter också möjligheten att använda artificiell intelligens och maskininlärningsmetoder för att skala upp detektering av SW-SSB utan nya teoretiska genombrott.
Forskarna betonar dock att deras analys gäller i en idealiserad ”black box”-situation, där experimentören inte har någon förhandskunskap om systemets detaljer. I verkliga kvantexperiment kan sådan information finnas och potentiellt utnyttjas för att öka chanserna att identifiera dessa subtila symmetribrott. Därför pekar det åt att framtida studier bör undersöka hur förhandsinformation kan integreras i analysmetoder och hur kryptografibaserade tekniker kan vidareutvecklas för att angripa detta problem från nya håll.
Sammantaget representerar denna studie ett viktigt steg mot att förstå komplexiteten i symmetribrytning i öppna kvantsystem – en frontier där fysik, informationsteori och kvantkryptografi möts. Det är en utmanande men spännande arena som kan leda till upptäckten av nya faser av materia och en djupare förståelse av kvantmekanikens grunder. Vi kan se fram emot fortsatta insikter när forskarsamhället finslipar sina verktyg och utforskar denna kant av kvantvärlden.
Mer information: Xiaozhou Feng et al, Hardness of Observing Strong-to-Weak Symmetry Breaking, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/1xzd-g9s5. På arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2504.12233
