Kvanteudsving kontrolleres for første gang, siger optikforskere – Physics World

Kvanteudsving kontrolleres for første gang, siger optikforskere – Physics World

Tidsstempel: 7. august 2023 kl. 9

Eksperiment med kvante tilfældige tal
Kvantekontrol: den eksperimentelle opsætning, der bruges til at generere justerbare tilfældige tal fra vakuumsvingninger. (Med høflighed: Charles Roques-Carmes, Yannick Salamin)

En ny teknik til at udnytte de tilfældige energiudsving, der er til stede i det tomme rum, og forspænde udsvingene med et anvendt felt, er blevet demonstreret af amerikanske videnskabsmænd. Forskerne mener, at teknikken kan have anvendelser fra sansning til generering af tilfældige tal i probabilistisk optisk databehandling.

Ligesom det forbyder en partikel at blive fuldstændig berøvet momentum, forhindrer Heisenbergs usikkerhedsprincip et system i at være totalt blottet for energi. I kvantemekanikken er et vakuum derfor befolket af bittesmå fluktuationer i det elektriske felt ved tilfældige frekvenser. Disse er normalt for små til at være eksperimentelt relevante, men i specifikke situationer kan de blive vigtige.

I 2021 for eksempel teoretisk fysiker Ortwin Hess af Trinity College Dublin og kolleger ledet af Hui Cao ved Yale University i Connecticut brugte disse fluktuationer til at producere en tilfældig talgenerator fra en multi-mode laser. "I laserbeskrivelsen, vi brugte dengang, [beskrev vi] uforudsigeligheden og det slag, der ville følge af de mange tilstande, der interagerer," forklarer Hess; "men det var en meget interessant konsekvens, der gjorde det muligt at høste kvanteudsvingene."

Tilfældige vanskeligheder

På trods af udbredt brug i kryptografi og computersimuleringer er sæt af sande tilfældige tal notorisk vanskelige at generere. Dette gør Cao og Hess' arbejde af stor interesse uden for kvanteoptikken.

I det nye arbejde tog forskere ved Massachusetts Institute of Technology (MIT) dette koncept et skridt videre ved at anvende et eksternt signal til at interferere med kvanteudsvingene og måle effekten af ​​denne interferens. Yannick Salamin, Charles Roques-Carmes og kolleger placerede en lithiumniobatkrystal i et optisk hulrum og pumpede det med fotoner fra en laser. Dette genererede exciterede tilstande i krystallen, der henfaldt til at producere to fotoner med nøjagtig halvdelen af ​​energien af ​​pumpefotonerne.

"Den fase, som disse fotoner vil have, er fuldstændig tilfældig, fordi de udløses af vakuumfluktuationerne," forklarer Salamin, "men nu vil fotonen cirkulere i hulrummet, og når den næste foton kommer, kan den give energi til den samme foton og forstærke det. Men på grund af effektens fysiske natur kan kun to mulige faser forstærkes."

Bifurkationsovergang

Fotoner forstærkes oprindeligt med begge faser, men systemet gennemgår en "bifurkationsovergang" og vælger den ene eller den anden tilstand, så snart der akkumuleres nok energi i denne tilstand til at overvinde tab. "Når du er i steady state, er resultatet fast," forklarer Roques-Carmes. "Hvis du vil have en ny prøve, skal du genstarte hele processen, gå tilbage til vakuumfordelingen og gå gennem bifurkationen igen," tilføjer han.

Når der ikke blev påført nogen ekstern forspænding, var det lige så sandsynligt, at hulrummet endte i en af ​​de to mulige tilstande, og de relative frekvenser af forskellige kombinationer af resultater efter gentagne forsøg dannede en perfekt Gauss-fordeling. Forskerne anvendte derefter et pulserende elektromagnetisk felt, der var dæmpet, indtil det var i størrelsesordenen af ​​vakuumsvingningerne. De fandt ud af, at selvom systemet stadig kunne slå sig ned i begge tilstande, kunne de fordreje sandsynligheden for, at det ville vælge den ene tilstand frem for den anden. Når de anvendte en stærkere bias, valgte systemet konsekvent den samme tilstand.

Holdet studerer nu mulige applikationer, herunder probabilistisk databehandling. "Den generelle idé er, at ved at koble mange p-bits [sandsynlighedsbits] sammen kan vi bygge en p-computer," siger Roques-Carmes. "Der er mange områder af videnskaben, hvor du ønsker at være i stand til at indkode usikkerhed ... Vi planlægger at tage denne fotoniske p-bit og inkorporere den i en fotonisk behandlingsenhed." Forskningen undersøger også muligheden for at bruge systemets følsomhed over for små elektriske felter til at producere en sensor.

Forskningen er beskrevet i Videnskab og Hess er opsat på resultaterne beskrevet i papiret. "Det er helt usædvanligt, for det er næsten, som om man fordrejer ting uden noget," siger Hess, som ikke var involveret i dette seneste arbejde. "Det, der imponerede mig, er, at de har en meget flot måde at skrive manuskriptet på - de forbinder det meget stærkt med nogle af de store mestre inden for laservidenskab, såsom Lamb og Purcell - de citerer Hawking og Unruh. I 1950'erne og 1960'erne var det virkelig ikke klart, hvor mange af disse processer, der opstod, og hvordan udsving kan ændres efter, hvor de sker ... Der er mange flere applikationer, hvor man kunne bruge dette, men fra et grundlæggende synspunkt, Jeg er bare imponeret over det faktum, at de eksperimentelt har vist, at kvantestatistik stadig er kvantestatistik, selvom den er forudindtaget på en eller anden måde."

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden