Quantenfluktuationen werden zum ersten Mal kontrolliert, sagen Optikforscher – Physics World

US-Wissenschaftler haben eine neue Technik demonstriert, um die im leeren Raum vorhandenen zufälligen Energiefluktuationen auszunutzen und die Fluktuationen durch ein angelegtes Feld zu beeinflussen. Die Forscher glauben, dass die Technik von der Sensorik bis zur Zufallszahlengenerierung im probabilistischen optischen Rechnen Anwendung finden könnte.

So wie es verbietet, dass ein Teilchen völlig impulslos ist, verhindert das Heisenbergsche Unschärfeprinzip, dass ein System völlig energielos ist. In der Quantenmechanik wird ein Vakuum daher durch winzige Fluktuationen des elektrischen Feldes mit zufälligen Frequenzen bevölkert. Diese sind normalerweise zu klein, um experimentell relevant zu sein, können aber in bestimmten Situationen wichtig werden.

Im Jahr 2021 zum Beispiel theoretischer Physiker Ortwin Hess vom Trinity College Dublin und Kollegen unter der Leitung von Hui Cao an der Yale University in Connecticut nutzten diese Schwankungen, um aus einem Multimode-Laser einen Zufallszahlengenerator zu erzeugen. „In der Laserbeschreibung, die wir damals verwendeten, [beschrieben wir] die Unvorhersehbarkeit und die Schwebungen, die sich aus der Interaktion der vielen Moden ergeben würden“, erklärt Hess; „Aber das war eine sehr interessante Konsequenz, die die Ernte der Quantenfluktuationen ermöglichte.“

Zufällige Schwierigkeiten

Trotz der weit verbreiteten Verwendung in der Kryptographie und in Computersimulationen ist es bekanntermaßen schwierig, Sätze echter Zufallszahlen zu generieren. Dies macht die Arbeit von Cao und Hess auch außerhalb des Bereichs der Quantenoptik von großem Interesse.

In der neuen Arbeit gingen Forscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT) dieses Konzept noch einen Schritt weiter, indem sie ein externes Signal anlegten, um die Quantenfluktuationen zu stören, und die Wirkung dieser Interferenz maßen. Yannick Salamin, Charles Roques-Carmes und Kollegen platzierten einen Lithiumniobat-Kristall in einem optischen Hohlraum und pumpten ihn mit Photonen aus einem Laser. Dadurch wurden im Kristall angeregte Zustände erzeugt, die zerfielen und zwei Photonen mit genau der Hälfte der Energie der Pumpphotonen erzeugten.

„Die Phase, die diese Photonen haben werden, ist völlig zufällig, weil sie durch die Vakuumschwankungen ausgelöst werden“, erklärt Salamin, „aber jetzt zirkuliert das Photon im Hohlraum und kann, wenn das nächste Photon kommt, demselben Photon Energie geben.“ und es verstärken. Aufgrund der physikalischen Natur des Effekts können jedoch nur zwei mögliche Phasen verstärkt werden.“

Bifurkationsübergang

Photonen werden zunächst mit beiden Phasen verstärkt, aber das System durchläuft einen „Bifurkationsübergang“ und wählt den einen oder anderen Modus aus, sobald sich in diesem Modus genügend Energie ansammelt, um Verluste zu überwinden. „Sobald Sie sich im stabilen Zustand befinden, ist das Ergebnis festgelegt“, erklärt Roques-Carmes. „Wenn Sie eine neue Probe erhalten möchten, müssen Sie den gesamten Prozess neu starten, zur Vakuumverteilung zurückkehren und die Gabelung erneut durchlaufen“, fügt er hinzu.

Wenn keine externe Vorspannung angewendet wurde, war die Wahrscheinlichkeit, dass der Hohlraum in einen der beiden möglichen Modi gelangte, gleich groß, und die relativen Häufigkeiten verschiedener Kombinationen von Ergebnissen nach wiederholten Versuchen bildeten eine perfekte Gaußsche Verteilung. Anschließend legten die Forscher ein gepulstes elektromagnetisches Feld an, das abgeschwächt wurde, bis es in der Größenordnung der Vakuumschwankungen lag. Sie fanden heraus, dass sich das System zwar immer noch in einem der beiden Zustände einpendeln könnte, sie aber die Wahrscheinlichkeit beeinflussen könnten, dass es einen Zustand dem anderen vorzieht. Wenn sie eine stärkere Voreingenommenheit anwendeten, wählte das System stets denselben Zustand aus.

Der schnelle Quantenzufallszahlengenerator passt auf eine Fingerspitze

Das Team untersucht derzeit mögliche Anwendungen, einschließlich probabilistischer Berechnungen. „Die allgemeine Idee ist, dass wir durch die Verknüpfung vieler p-Bits [probabilistischer Bits] einen p-Computer bauen können“, sagt Roques-Carmes. „Es gibt viele Bereiche der Wissenschaft, in denen man Unsicherheit kodieren möchte … Wir planen, dieses photonische p-Bit zu nehmen und es in eine photonische Verarbeitungseinheit zu integrieren.“ Die Forschung untersucht auch die Möglichkeit, die Reaktionsfähigkeit des Systems auf kleine elektrische Felder zur Herstellung eines Sensors zu nutzen.

Die Forschung ist beschrieben in Wissenschaft und Hess ist von den in der Arbeit beschriebenen Ergebnissen begeistert. „Es ist ziemlich außergewöhnlich, weil es fast so ist, als würde man die Dinge durch nichts beeinflussen“, sagt Hess, der an dieser neuesten Arbeit nicht beteiligt war. „Was mich beeindruckt hat, ist, dass sie eine sehr schöne Art haben, das Manuskript zu schreiben – sie stellen eine starke Verbindung zu einigen der Großmeister der Laserwissenschaft wie Lamb und Purcell her – sie zitieren Hawking und Unruh. In den 1950er und 1960er Jahren war wirklich nicht klar, wie viele dieser Prozesse zustande kamen und wie Schwankungen je nach Ort ihres Auftretens verändert werden können … Es gibt viel mehr Anwendungen, in denen man dies nutzen könnte, aber grundsätzlich bin ich Ich bin einfach beeindruckt von der Tatsache, dass sie experimentell gezeigt haben, dass Quantenstatistik immer noch Quantenstatistik ist, auch wenn sie in irgendeiner Weise voreingenommen ist.“

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/quantum-fluctuations-are-controlled-for-the-first-time-say-optics-researchers/