Kvanttivaihteluita hallitaan ensimmäistä kertaa, sanovat optiikan tutkijat – Physics World

Yhdysvaltalaiset tutkijat ovat osoittaneet uuden tekniikan, jolla voidaan hyödyntää tyhjässä tilassa esiintyviä satunnaisia ​​energianvaihteluita ja painottaa vaihteluja sovelletulla kentällä. Tutkijat uskovat, että tekniikalla voisi olla sovelluksia todennäköisyyspohjaisessa optisessa laskennassa havainnoista satunnaislukujen generointiin.

Aivan kuten se kieltää hiukkasen olemasta täysin vauhditon, Heisenbergin epävarmuusperiaate estää järjestelmää olemasta täysin energiaton. Siksi kvanttimekaniikassa tyhjiötä asustavat sähkökentän pienet vaihtelut satunnaisilla taajuuksilla. Ne ovat yleensä liian pieniä ollakseen kokeellisesti merkityksellisiä, mutta tietyissä tilanteissa niistä voi tulla tärkeitä.

Vuonna 2021 esimerkiksi teoreettinen fyysikko Ortwin Hess Trinity College Dublinista ja kollegoistaan Hui Cao Yalen yliopistossa Connecticutissa käytettiin näitä vaihteluja tuottamaan satunnaislukugeneraattori monimuotolaserista. "Silloin käyttämässämme laserkuvauksessa [kuvailimme] arvaamattomuutta ja lyömistä, joka seuraisi monien moodien vuorovaikutuksesta", Hess selittää; "mutta se oli erittäin mielenkiintoinen seuraus, joka mahdollisti kvanttivaihteluiden keräämisen."

Satunnaisia ​​vaikeuksia

Huolimatta laajasta käytöstä kryptografiassa ja tietokonesimulaatioissa, todellisten satunnaislukujen sarjoja on tunnetusti vaikea luoda. Tämä tekee Caon ja Hessin työstä erittäin mielenkiintoista kvanttioptiikan alan ulkopuolella.

Uudessa työssä Massachusetts Institute of Technologyn (MIT) tutkijat veivät tämän konseptin askeleen pidemmälle käyttämällä ulkoista signaalia häiritsemään kvanttivaihteluita ja mittaamalla tämän häiriön vaikutusta. Yannick Salamin, Charles Roques-Carmes ja kollegat asettivat litiumniobaattikiteen optiseen onteloon ja pumppasivat sen fotoneilla laserista. Tämä synnytti kiteen kiihtyneitä tiloja, jotka hajosivat tuottaen kaksi fotonia täsmälleen puolet pumpun fotonien energiasta.

"Näiden fotonien vaihe on täysin satunnainen, koska ne laukaisevat tyhjiön vaihtelut", Salamin selittää, "mutta nyt fotoni kiertää ontelossa ja kun seuraava fotoni tulee, se voi antaa energiaa samalle fotonille. ja vahvistaa sitä. Mutta vaikutuksen fyysisen luonteen vuoksi vain kaksi mahdollista vaihetta voidaan vahvistaa."

Bifurkaatiosiirtymä

Fotonit vahvistetaan aluksi molemmilla vaiheilla, mutta järjestelmä käy läpi "haaroittumisen" ja valitsee yhden tai toisen moodin heti, kun kyseiseen tilaan kertyy tarpeeksi energiaa häviöiden voittamiseksi. "Kun olet vakaassa tilassa, tulos on kiinteä", Roques-Carmes selittää. "Jos haluat saada uuden näytteen, sinun on käynnistettävä koko prosessi uudelleen, palattava tyhjiöjakaumaan ja hajautettava uudelleen", hän lisää.

Kun ulkoista harhaa ei käytetty, onkalo päätyi yhtä todennäköisesti jompaankumpaan kahdesta mahdollisesta moodista, ja erilaisten tulosyhdistelmien suhteelliset taajuudet toistuvien kokeiden jälkeen muodostivat täydellisen Gaussin jakauman. Sitten tutkijat käyttivät pulssi-sähkömagneettikenttää, jota vaimennettiin, kunnes se oli tyhjiön vaihteluiden luokkaa. He havaitsivat, että vaikka järjestelmä voisi silti asettua kumpaan tahansa tilaan, he voivat harhauttaa todennäköisyyttä, että se valitsee yhden tilan toisen sijaan. Kun he käyttivät voimakkaampaa harhaa, järjestelmä valitsi jatkuvasti saman tilan.

Nopea kvantti-satunnaislukugeneraattori sopii sormenpäälle

Ryhmä tutkii parhaillaan mahdollisia sovelluksia, mukaan lukien todennäköisyyslaskentaa. "Yleinen ajatus on, että yhdistämällä monia p-bittejä [todennäköisyysbittejä] yhteen voimme rakentaa p-tietokoneen", Roques-Carmes sanoo. "On monia tieteen aloja, joilla haluat koodata epävarmuutta... Aiomme ottaa tämän fotonisen p-bitin ja liittää sen fotoniseen prosessointiyksikköön." Tutkimuksessa selvitetään myös mahdollisuuksia hyödyntää järjestelmän herkkyyttä pieniin sähkökenttiin anturin tuottamiseksi.

Tutkimusta kuvataan tiede ja Hess on kiinnostunut paperissa kuvatuista tuloksista. "Se on aivan poikkeuksellista, koska on melkein kuin puolueettaisiin asioita ilman mitään", sanoo Hess, joka ei ollut mukana tässä viimeisessä työssä. ”Minuun teki vaikutuksen, että heillä on erittäin mukava tapa kirjoittaa käsikirjoitus – he yhdistävät sen erittäin vahvasti joihinkin lasertieteen suurmestareihin, kuten Lambiin ja Purcelliin – he lainaavat Hawkingia ja Unruhia. 1950- ja 1960-luvuilla ei todellakaan ollut selvää, kuinka monta näistä prosesseista syntyi ja kuinka heilahteluja voidaan muuttaa sen mukaan, missä ne tapahtuvat... On paljon muita sovelluksia, joissa tätä voidaan käyttää, mutta perustavanlaatuisesta näkökulmasta katson. Olen vain vaikuttunut siitä, että he ovat osoittaneet kokeellisesti, että kvanttitilastot ovat edelleen kvanttitilastoja, vaikka ne olisivat jollain tavalla puolueellisia."

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. Autot / sähköautot, hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• BlockOffsets. Ympäristövastuun omistuksen nykyaikaistaminen. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/quantum-fluctuations-are-controlled-for-the-first-time-say-optics-researchers/