Οι κβαντικές διακυμάνσεις ελέγχονται για πρώτη φορά, λένε οι ερευνητές της οπτικής – Physics World

Μια νέα τεχνική για την εκμετάλλευση των τυχαίων ενεργειακών διακυμάνσεων που υπάρχουν στον κενό χώρο και την πόλωση των διακυμάνσεων με ένα εφαρμοσμένο πεδίο έχει επιδειχθεί από Αμερικανούς επιστήμονες. Οι ερευνητές πιστεύουν ότι η τεχνική θα μπορούσε να έχει εφαρμογές από την ανίχνευση έως τη δημιουργία τυχαίων αριθμών στον πιθανολογικό οπτικό υπολογισμό.

Ακριβώς όπως απαγορεύει σε ένα σωματίδιο να στερείται εντελώς ορμής, η αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg εμποδίζει ένα σύστημα να στερείται εντελώς ενέργειας. Στην κβαντομηχανική, επομένως, ένα κενό κατοικείται από μικροσκοπικές διακυμάνσεις στο ηλεκτρικό πεδίο σε τυχαίες συχνότητες. Αυτά είναι συνήθως πολύ μικρά για να είναι πειραματικά σχετικά, αλλά σε συγκεκριμένες καταστάσεις μπορεί να γίνουν σημαντικά.

Το 2021, για παράδειγμα, θεωρητικός φυσικός Ortwin Hess του Trinity College του Δουβλίνου και των συναδέλφων με επικεφαλής Χούι Κάο στο Πανεπιστήμιο Yale στο Κονέκτικατ χρησιμοποίησε αυτές τις διακυμάνσεις για να παράγει μια γεννήτρια τυχαίων αριθμών από ένα λέιζερ πολλαπλών λειτουργιών. «Στην περιγραφή λέιζερ που χρησιμοποιούσαμε τότε, [περιγράψαμε] το απρόβλεπτο και το χτύπημα που θα προέκυπτε από τους πολλούς τρόπους αλληλεπίδρασης», εξηγεί ο Hess. «αλλά αυτό ήταν μια πολύ ενδιαφέρουσα συνέπεια που επέτρεψε τη συγκομιδή των κβαντικών διακυμάνσεων».

Τυχαίες δυσκολίες

Παρά την ευρεία χρήση στην κρυπτογραφία και τις προσομοιώσεις υπολογιστή, τα σύνολα αληθινών τυχαίων αριθμών είναι εμφανώς δύσκολο να δημιουργηθούν. Αυτό κάνει το έργο του Cao και του Hess να έχει μεγάλο ενδιαφέρον εκτός του πεδίου της κβαντικής οπτικής.

Στη νέα εργασία, οι ερευνητές στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης (MIT) προχώρησαν αυτή την ιδέα ένα βήμα παραπέρα εφαρμόζοντας ένα εξωτερικό σήμα για να παρεμποδίσει τις κβαντικές διακυμάνσεις και μετρώντας την επίδραση αυτής της παρεμβολής. Γιανίκ Σαλαμίν, Charles Roques-Carmes και οι συνάδελφοι τοποθέτησαν έναν κρύσταλλο νιοβικού λιθίου σε μια οπτική κοιλότητα και τον άντλησαν με φωτόνια από ένα λέιζερ. Αυτό δημιούργησε διεγερμένες καταστάσεις στον κρύσταλλο που διασπάστηκε για να παράγει δύο φωτόνια ακριβώς τη μισή ενέργεια από τα φωτόνια της αντλίας.

«Η φάση που θα έχουν αυτά τα φωτόνια είναι εντελώς τυχαία επειδή πυροδοτούνται από τις διακυμάνσεις του κενού», εξηγεί ο Salamin, «αλλά τώρα το φωτόνιο θα κυκλοφορήσει στην κοιλότητα και, όταν έρθει το επόμενο φωτόνιο, μπορεί να δώσει ενέργεια στο ίδιο φωτόνιο. και να το ενισχύσεις. Αλλά λόγω της φυσικής φύσης του αποτελέσματος, μόνο δύο πιθανές φάσεις μπορούν να ενισχυθούν».

Μετάβαση διχοτόμησης

Τα φωτόνια αρχικά ενισχύονται και με τις δύο φάσεις, αλλά το σύστημα υφίσταται μια «μετάβαση διχοτόμησης» και επιλέγει τον έναν ή τον άλλο τρόπο, μόλις συσσωρευτεί αρκετή ενέργεια σε αυτόν τον τρόπο λειτουργίας για να ξεπεραστούν οι απώλειες. «Μόλις είστε σε σταθερή κατάσταση, το αποτέλεσμα είναι σταθερό», εξηγεί ο Roques-Carmes. «Αν θέλετε να πάρετε ένα νέο δείγμα, πρέπει να επανεκκινήσετε την όλη διαδικασία, να επιστρέψετε στην κατανομή κενού και να περάσετε ξανά από τη διχοτόμηση», προσθέτει.

Όταν δεν εφαρμόστηκε εξωτερική προκατάληψη, η κοιλότητα ήταν εξίσου πιθανό να καταλήξει σε έναν από τους δύο πιθανούς τρόπους λειτουργίας και οι σχετικές συχνότητες διαφόρων συνδυασμών αποτελεσμάτων μετά από επαναλαμβανόμενες δοκιμές σχημάτισαν μια τέλεια κατανομή Gauss. Οι ερευνητές εφάρμοσαν στη συνέχεια ένα παλμικό ηλεκτρομαγνητικό πεδίο εξασθενημένο μέχρι να φτάσει στην τάξη των διακυμάνσεων του κενού. Διαπίστωσαν ότι, παρόλο που το σύστημα μπορούσε να εγκατασταθεί σε οποιαδήποτε κατάσταση, μπορούσαν να προκαταλάβουν την πιθανότητα ότι θα επέλεγε τη μία κατάσταση έναντι της άλλης. Όταν εφάρμοσαν μια ισχυρότερη προκατάληψη, το σύστημα επέλεξε με συνέπεια την ίδια κατάσταση.

Γρήγορη κβαντική γεννήτρια τυχαίων αριθμών ταιριάζει σε ένα δάχτυλο

Η ομάδα μελετά τώρα πιθανές εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένου του πιθανοτικού υπολογισμού. «Η γενική ιδέα είναι ότι συνδέοντας πολλά p-bit [πιθανολογικά bit] μαζί μπορούμε να δημιουργήσουμε έναν p-υπολογιστή», λέει ο Roques-Carmes. «Υπάρχουν πολλοί τομείς της επιστήμης όπου θέλετε να μπορείτε να κωδικοποιήσετε την αβεβαιότητα… Σχεδιάζουμε να πάρουμε αυτό το φωτονικό p-bit και να το ενσωματώσουμε σε μια μονάδα φωτονικής επεξεργασίας». Η έρευνα διερευνά επίσης τη δυνατότητα χρήσης της απόκρισης του συστήματος σε μικρά ηλεκτρικά πεδία για την παραγωγή ενός αισθητήρα.

Η έρευνα περιγράφεται στο Επιστήμη και ο Hess ενδιαφέρεται για τα αποτελέσματα που περιγράφονται στο έγγραφο. «Είναι πολύ εξαιρετικό, γιατί είναι σχεδόν σαν να προκατέχεις τα πράγματα χωρίς τίποτα», λέει ο Hess, ο οποίος δεν συμμετείχε σε αυτή την τελευταία δουλειά. «Αυτό που με εντυπωσίασε είναι ότι έχουν έναν πολύ ωραίο τρόπο να γράφουν το χειρόγραφο – το συνδέουν πολύ έντονα με μερικούς από τους μεγάλους δασκάλους της επιστήμης των λέιζερ όπως ο Lamb και ο Purcell – αναφέρουν τους Hawking και Unruh. Τις δεκαετίες του 1950 και του 1960 δεν ήταν πραγματικά ξεκάθαρο πόσες από αυτές τις διαδικασίες προέκυψαν και πώς μπορούν να αλλάξουν οι διακυμάνσεις ανάλογα με το πού συμβαίνουν… Υπάρχουν πολύ περισσότερες εφαρμογές στις οποίες θα μπορούσε κανείς να το χρησιμοποιήσει, αλλά από θεμελιώδη άποψη. Απλώς εντυπωσιάστηκα από το γεγονός ότι έχουν δείξει πειραματικά ότι οι κβαντικές στατιστικές εξακολουθούν να είναι κβαντικές στατιστικές, ακόμα κι αν είναι μεροληπτικές κατά κάποιο τρόπο».

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Αυτοκίνητο / EVs, Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• BlockOffsets. Εκσυγχρονισμός της περιβαλλοντικής αντιστάθμισης ιδιοκτησίας. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/quantum-fluctuations-are-controlled-for-the-first-time-say-optics-researchers/