به گفته محققان اپتیک - Physics World، نوسانات کوانتومی برای اولین بار کنترل می شود

به گفته محققان اپتیک - Physics World، نوسانات کوانتومی برای اولین بار کنترل می شود

تمبر زمانی: 7 اوت 2023، 9:30 صبح

آزمایش اعداد تصادفی کوانتومی
کنترل کوانتومی: تنظیم آزمایشی که برای تولید اعداد تصادفی قابل تنظیم از نوسانات خلاء استفاده می شود. (با احترام: چارلز روکز-کارمز، یانیک سالامین)

یک روش جدید برای بهره برداری از نوسانات انرژی تصادفی موجود در فضای خالی و سوگیری نوسانات با یک میدان کاربردی توسط دانشمندان آمریکایی نشان داده شده است. محققان معتقدند این تکنیک می تواند کاربردهایی از سنجش تا تولید اعداد تصادفی در محاسبات نوری احتمالی داشته باشد.

درست همانطور که یک ذره را از تهی شدن کامل حرکت منع می کند، اصل عدم قطعیت هایزنبرگ نیز مانع از خالی شدن کامل یک سیستم از انرژی می شود. بنابراین، در مکانیک کوانتومی، خلاء با نوسانات کوچک در میدان الکتریکی در فرکانس‌های تصادفی پر می‌شود. اینها معمولاً کوچکتر از آن هستند که از نظر تجربی مرتبط باشند، اما در شرایط خاص می توانند مهم شوند.

به عنوان مثال، در سال 2021، فیزیکدان نظری اورتوین هس کالج ترینیتی دوبلین و همکارانش به رهبری هوی کائو در دانشگاه ییل در کانکتیکات از این نوسانات برای تولید یک مولد اعداد تصادفی از یک لیزر چند حالته استفاده کرد. هس توضیح می‌دهد: «در توصیف لیزری که در آن زمان استفاده می‌کردیم، غیرقابل‌پیش‌بینی‌بودن و ضرب و شتم ناشی از تعامل حالت‌ها را توصیف کردیم. اما این یک پیامد بسیار جالب بود که امکان برداشت نوسانات کوانتومی را فراهم کرد.

مشکلات تصادفی

علیرغم استفاده گسترده در رمزنگاری و شبیه سازی کامپیوتری، تولید مجموعه ای از اعداد تصادفی واقعی بسیار دشوار است. این امر باعث می شود که کار کائو و هس در خارج از حوزه اپتیک کوانتومی مورد توجه قرار گیرد.

در کار جدید، محققان موسسه فناوری ماساچوست (MIT) این مفهوم را با اعمال یک سیگنال خارجی برای تداخل با نوسانات کوانتومی و اندازه‌گیری اثر این تداخل، یک قدم فراتر بردند. یانیک سالامین، چارلز روکز-کارمز و همکاران یک کریستال لیتیوم نیوبات را در یک حفره نوری قرار دادند و آن را با فوتون های لیزر پمپ کردند. این حالت‌های برانگیخته‌ای را در کریستال ایجاد کرد که تجزیه شد و دو فوتون دقیقاً نصف انرژی فوتون پمپ تولید کرد.

سلامین توضیح می‌دهد: «فازی که این فوتون‌ها خواهند داشت کاملاً تصادفی است، زیرا توسط نوسانات خلاء تحریک می‌شوند، اما اکنون فوتون در حفره گردش می‌کند و وقتی فوتون بعدی می‌آید، می‌تواند به همان فوتون انرژی بدهد. و آن را تقویت کنید. اما به دلیل ماهیت فیزیکی اثر، تنها دو مرحله ممکن را می توان تقویت کرد.

انتقال انشعاب

فوتون ها در ابتدا با هر دو فاز تقویت می شوند، اما سیستم تحت یک "انتقال دوشاخه" قرار می گیرد و به محض اینکه انرژی کافی در آن حالت برای غلبه بر تلفات جمع می شود، یک حالت یا حالت دیگر را انتخاب می کند. Roques-Carmes توضیح می دهد: "هنگامی که شما در حالت ثابت هستید، نتیجه ثابت می شود." او اضافه می‌کند: «اگر می‌خواهید نمونه جدیدی دریافت کنید، باید کل فرآیند را مجدداً راه‌اندازی کنید، به توزیع خلاء برگردید و دوباره انشعاب را طی کنید».

هنگامی که هیچ سوگیری خارجی اعمال نشد، حفره به همان اندازه به هر یک از دو حالت ممکن ختم می‌شد، و فرکانس‌های نسبی ترکیب‌های مختلف نتایج پس از آزمایش‌های مکرر، یک توزیع گاوسی کامل را تشکیل می‌دادند. محققان سپس یک میدان الکترومغناطیسی پالسی را اعمال کردند که تا زمانی که در نوسانات خلاء قرار گرفت، ضعیف شد. آنها دریافتند که اگرچه سیستم همچنان می‌تواند در هر یک از این حالت‌ها مستقر شود، اما می‌توانند احتمال انتخاب یک حالت را بر دیگری تعصب کنند. هنگامی که آنها تعصب قوی تری را اعمال کردند، سیستم به طور مداوم همان حالت را انتخاب کرد.

این تیم اکنون در حال مطالعه کاربردهای احتمالی از جمله محاسبات احتمالی است. روکز-کارمز می‌گوید: «ایده کلی این است که با جفت کردن بسیاری از بیت‌های p (بیت‌های احتمالی) با هم می‌توانیم یک رایانه p بسازیم. حوزه‌های زیادی از علم وجود دارد که می‌خواهید بتوانید عدم قطعیت را رمزگذاری کنید... ما قصد داریم این p-bit فوتونی را بگیریم و آن را در یک واحد پردازش فوتونیک بگنجانیم. این تحقیقات همچنین در حال بررسی امکان استفاده از پاسخگویی سیستم به میدان های الکتریکی کوچک برای تولید حسگر هستند.

تحقیق در شرح داده شده است علم و هس مشتاق نتایج توصیف شده در مقاله است. هس که در این کار اخیر نقشی نداشته است، می‌گوید: «این کاملاً استثنایی است، زیرا تقریباً مانند این است که شما چیزها را بدون هیچ تعصبی می‌کنید. «آنچه مرا تحت تأثیر قرار داد این است که آنها روش بسیار خوبی برای نوشتن نسخه خطی دارند - آنها آن را به شدت با برخی از استادان بزرگ علوم لیزر مانند لمب و پرسل پیوند می دهند - آنها از هاوکینگ و اونروه استناد می کنند. در دهه‌های 1950 و 1960، واقعاً مشخص نبود که چه تعداد از این فرآیندها به وجود آمدند و چگونه می‌توان نوسانات را بر اساس مکان وقوع آنها تغییر داد... برنامه‌های بسیار بیشتری وجود دارد که می‌توان از آن استفاده کرد، اما از نقطه‌نظر اساسی من. من فقط تحت تأثیر این واقعیت هستم که آنها به طور تجربی نشان داده اند که آمار کوانتومی هنوز هم آمار کوانتومی است حتی اگر به نوعی مغرضانه باشد.

تمبر زمان:

بیشتر از دنیای فیزیک