يتم التحكم في التقلبات الكمية لأول مرة ، كما يقول باحثو البصريات - عالم الفيزياء

يتم التحكم في التقلبات الكمية لأول مرة ، كما يقول باحثو البصريات - عالم الفيزياء

الطابع الزمني: 7 آب (أغسطس) 2023 ، الساعة 9:30 صباحًا

تجربة الأرقام العشوائية الكمية
التحكم الكمي: الإعداد التجريبي المستخدم لتوليد أرقام عشوائية قابلة للضبط من تقلبات الفراغ. (بإذن من: تشارلز روك كارمز ويانيك سالامين)

تم توضيح تقنية جديدة لاستغلال تقلبات الطاقة العشوائية الموجودة في الفضاء الفارغ وتحيز التقلبات مع مجال مطبق من قبل العلماء الأمريكيين. يعتقد الباحثون أن هذه التقنية يمكن أن يكون لها تطبيقات من الاستشعار إلى توليد الأرقام العشوائية في الحوسبة الضوئية الاحتمالية.

تمامًا كما يمنع الجسيم من أن يكون محرومًا تمامًا من الزخم ، فإن مبدأ عدم اليقين لهيزنبرغ يمنع النظام من أن يكون خاليًا تمامًا من الطاقة. لذلك ، في ميكانيكا الكم ، يُملأ الفراغ بتقلبات صغيرة في المجال الكهربائي بترددات عشوائية. عادة ما تكون هذه أصغر من أن تكون ذات صلة بالتجربة ، ولكن في مواقف محددة يمكن أن تصبح مهمة.

في عام 2021 ، على سبيل المثال ، فيزيائي نظري أورتوين هيس من كلية ترينيتي دبلن وزملائه بقيادة هوى كاو في جامعة ييل في ولاية كونيتيكت ، استخدمت هذه التقلبات لإنتاج مولد أرقام عشوائي من ليزر متعدد الأوضاع. يوضح هيس: "في وصف الليزر الذي استخدمناه في ذلك الوقت ، [وصفنا] عدم القدرة على التنبؤ والضرب الذي سينتج عن تفاعل العديد من الأوضاع". "ولكن كانت هذه نتيجة مثيرة للغاية سمحت بحصاد التقلبات الكمية."

صعوبات عشوائية

على الرغم من الاستخدام الواسع النطاق في عمليات التشفير والمحاكاة الحاسوبية ، إلا أنه من الصعب جدًا إنشاء مجموعات من الأرقام العشوائية الحقيقية. هذا يجعل عمل Cao و Hess ذا أهمية كبيرة خارج مجال البصريات الكمومية.

في العمل الجديد ، اتخذ الباحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) هذا المفهوم خطوة إلى الأمام من خلال تطبيق إشارة خارجية للتدخل في التقلبات الكمية وقياس تأثير هذا التداخل. يانيك سالامين تشارلز روكس كارمز وضع وزملاؤه بلورة نيوبات الليثيوم في تجويف ضوئي وضخوها بفوتونات من الليزر. أدى هذا إلى توليد حالات مثارة في البلورة تتعفن لإنتاج فوتونين من نصف طاقة فوتونات المضخة بالضبط.

يوضح سالامين: "تكون المرحلة التي ستحصل عليها هذه الفوتونات عشوائية تمامًا لأنها تنجم عن تقلبات الفراغ ، ولكن الآن سوف يدور الفوتون في التجويف ، وعندما يأتي الفوتون التالي ، يمكنه إعطاء الطاقة لنفس الفوتون وتضخيمه. ولكن بسبب الطبيعة الفيزيائية للتأثير ، يمكن تضخيم مرحلتين محتملتين فقط ".

انتقال التشعب

يتم تضخيم الفوتونات في البداية مع كلتا المرحلتين ، لكن النظام يخضع لـ "انتقال التشعب" ويختار وضعًا واحدًا أو الآخر بمجرد أن تتراكم طاقة كافية في هذا الوضع للتغلب على الخسائر. يوضح Roques-Carmes: "بمجرد أن تكون في حالة الثبات ، يتم إصلاح النتيجة". ويضيف: "إذا كنت ترغب في الحصول على عينة جديدة ، فعليك إعادة بدء العملية برمتها ، والعودة إلى توزيع الفراغ ، والقيام بعملية التشعب مرة أخرى".

عندما لم يتم تطبيق أي تحيز خارجي ، كان من المرجح بشكل متساوٍ أن ينتهي التجويف في أي من الوضعين المحتملين ، وشكلت الترددات النسبية لتوليفات مختلفة من النتائج بعد التجارب المتكررة توزيعًا غاوسيًا مثاليًا. ثم طبق الباحثون مجالًا كهرومغناطيسيًا نابضًا مخففًا حتى وصل إلى ترتيب تقلبات الفراغ. ووجدوا أنه على الرغم من أن النظام لا يزال قادرًا على الاستقرار في أي من الحالتين ، إلا أنهما قد يتحيزان لاحتمال اختيار حالة على الأخرى. عندما طبقوا تحيزًا أقوى ، اختار النظام باستمرار نفس الحالة.

يدرس الفريق الآن التطبيقات الممكنة ، بما في ذلك الحوسبة الاحتمالية. تقول روكس كارمز: "الفكرة العامة هي أنه من خلال اقتران العديد من p-bits [بتات احتمالية] معًا ، يمكننا بناء كمبيوتر p". "هناك العديد من المجالات العلمية حيث تريد أن تكون قادرًا على ترميز عدم اليقين ... نحن نخطط لأخذ p bit الفوتوني ودمجها في وحدة المعالجة الضوئية." يدرس البحث أيضًا إمكانية استخدام استجابة النظام للمجالات الكهربائية الصغيرة لإنتاج جهاز استشعار.

تم وصف البحث في علوم وهيس حريص على النتائج الموضحة في الورقة. يقول هيس ، الذي لم يشارك في هذا العمل الأخير: "إنه أمر استثنائي تمامًا ، لأنه يشبه تقريبًا أنك تحيز الأشياء بلا شيء". "ما أثار إعجابي هو أن لديهم طريقة لطيفة جدًا لكتابة المخطوطة - لقد ربطوها بقوة مع بعض أساتذة علوم الليزر مثل لامب وبورسيل - استشهدوا بهوكينج وأونروه. في الخمسينيات والستينيات من القرن الماضي ، لم يكن من الواضح عدد هذه العمليات التي ظهرت وكيف يمكن تغيير التقلبات حسب مكان حدوثها ... هناك الكثير من التطبيقات التي يمكن للمرء استخدام هذا فيها ، ولكن من وجهة نظر أساسية أنا " لقد تأثرت للتو بحقيقة أنهم أظهروا بشكل تجريبي أن الإحصائيات الكمومية لا تزال إحصائيات كمومية حتى لو كانت متحيزة بطريقة ما. "

الطابع الزمني:

اكثر من عالم الفيزياء