Las fluctuaciones cuánticas se controlan por primera vez, dicen investigadores de óptica – Physics World

Las fluctuaciones cuánticas se controlan por primera vez, dicen investigadores de óptica – Physics World

Marca de tiempo: 7 de agosto de 2023 9:30 a.m.

Experimento de números aleatorios cuánticos
Control cuántico: la configuración experimental utilizada para generar números aleatorios ajustables a partir de las fluctuaciones del vacío. (Cortesía: Charles Roques-Carmes, Yannick Salamin)

Científicos estadounidenses han demostrado una nueva técnica para explotar las fluctuaciones aleatorias de energía presentes en el espacio vacío y sesgar las fluctuaciones con un campo aplicado. Los investigadores creen que la técnica podría tener aplicaciones desde la detección hasta la generación de números aleatorios en computación óptica probabilística.

Así como prohíbe que una partícula esté completamente desprovista de impulso, el principio de incertidumbre de Heisenberg evita que un sistema esté totalmente desprovisto de energía. En la mecánica cuántica, por lo tanto, el vacío está poblado por pequeñas fluctuaciones en el campo eléctrico a frecuencias aleatorias. Estos son normalmente demasiado pequeños para ser experimentalmente relevantes, pero en situaciones específicas pueden llegar a ser importantes.

En 2021, por ejemplo, físico teórico ortwin hess del Trinity College Dublin y colegas dirigidos por hui-cao en la Universidad de Yale en Connecticut utilizó estas fluctuaciones para producir un generador de números aleatorios a partir de un láser multimodo. “En la descripción del láser que usamos en ese entonces, [describimos] la imprevisibilidad y la paliza que resultaría de la interacción de muchos modos”, explica Hess; “pero esa fue una consecuencia muy interesante que permitió la recolección de las fluctuaciones cuánticas”.

Dificultades aleatorias

A pesar del uso generalizado en criptografía y simulaciones por computadora, los conjuntos de números aleatorios verdaderos son notoriamente difíciles de generar. Esto hace que el trabajo de Cao y Hess sea de gran interés fuera del campo de la óptica cuántica.

En el nuevo trabajo, los investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) llevaron este concepto un paso más allá al aplicar una señal externa para interferir con las fluctuaciones cuánticas y medir el efecto de esta interferencia. Yannick Salamin, Carlos Roques-Carmes y sus colegas colocaron un cristal de niobato de litio en una cavidad óptica y lo bombearon con fotones de un láser. Esto generó estados excitados en el cristal que decayó para producir dos fotones de exactamente la mitad de la energía de los fotones de la bomba.

“La fase que tendrán estos fotones es completamente aleatoria porque se disparan por las fluctuaciones del vacío”, explica Salamin, “pero ahora el fotón circulará en la cavidad y, cuando llegue el siguiente fotón, podrá dar energía a ese mismo fotón. y amplificarlo. Pero debido a la naturaleza física del efecto, solo se pueden amplificar dos fases posibles”.

Transición de bifurcación

Los fotones se amplifican inicialmente con ambas fases, pero el sistema sufre una "transición de bifurcación" y elige un modo u otro tan pronto como se acumula suficiente energía en ese modo para superar las pérdidas. “Una vez que estás en el estado estacionario, el resultado es fijo”, explica Roques-Carmes. “Si desea obtener una nueva muestra, debe reiniciar todo el proceso, volver a la distribución de vacío y pasar nuevamente por la bifurcación”, agrega.

Cuando no se aplicó ningún sesgo externo, la cavidad tenía la misma probabilidad de terminar en cualquiera de los dos modos posibles, y las frecuencias relativas de varias combinaciones de resultados después de ensayos repetidos formaron una distribución gaussiana perfecta. Luego, los investigadores aplicaron un campo electromagnético pulsado atenuado hasta que estuvo en el orden de las fluctuaciones del vacío. Descubrieron que, aunque el sistema aún podía establecerse en cualquier estado, podían sesgar la probabilidad de que eligiera un estado sobre el otro. Cuando aplicaron un sesgo más fuerte, el sistema eligió constantemente el mismo estado.

El equipo ahora está estudiando posibles aplicaciones, incluida la computación probabilística. “La idea general es que juntando muchos p-bits [bits probabilísticos] podemos construir una computadora p”, dice Roques-Carmes. "Hay muchas áreas de la ciencia en las que desea poder codificar la incertidumbre... Planeamos tomar este bit p fotónico e incorporarlo a una unidad de procesamiento fotónico". La investigación también está investigando la posibilidad de utilizar la capacidad de respuesta del sistema a pequeños campos eléctricos para producir un sensor.

La investigación se describe en Ciencia: y Hess está interesado en los resultados descritos en el documento. “Es bastante excepcional, porque es casi como si se sesgasen las cosas sin nada”, dice Hess, que no participó en este último trabajo. “Lo que me impresionó es que tienen una forma muy agradable de escribir el manuscrito: lo vinculan muy fuertemente con algunos de los grandes maestros de la ciencia del láser, como Lamb y Purcell, citan a Hawking y Unruh. En las décadas de 1950 y 1960, realmente no estaba claro cuántos de estos procesos ocurrían y cómo se podían cambiar las fluctuaciones según el lugar donde sucedieran... Hay muchas más aplicaciones en las que uno podría usar esto, pero desde un punto de vista fundamental, yo Estoy impresionado por el hecho de que han demostrado experimentalmente que las estadísticas cuánticas siguen siendo estadísticas cuánticas, incluso si están sesgadas de alguna manera”.

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