Les fluctuations quantiques sont contrôlées pour la première fois, selon des chercheurs en optique – Physics World

Les fluctuations quantiques sont contrôlées pour la première fois, selon des chercheurs en optique – Physics World

Horodatage: 7 août 2023 9:30

Expérience sur les nombres aléatoires quantiques
Contrôle quantique : la configuration expérimentale utilisée pour générer des nombres aléatoires accordables à partir des fluctuations du vide. (Avec l'aimable autorisation de Charles Roques-Carmes, Yannick Salamin)

Une nouvelle technique pour exploiter les fluctuations d'énergie aléatoires présentes dans l'espace vide et biaiser les fluctuations avec un champ appliqué a été démontrée par des scientifiques américains. Les chercheurs pensent que la technique pourrait avoir des applications allant de la détection à la génération de nombres aléatoires dans le calcul optique probabiliste.

Tout comme il interdit à une particule d'être complètement dépourvue de quantité de mouvement, le principe d'incertitude d'Heisenberg empêche un système d'être totalement dépourvu d'énergie. En mécanique quantique, par conséquent, un vide est peuplé de minuscules fluctuations du champ électrique à des fréquences aléatoires. Celles-ci sont normalement trop petites pour être expérimentalement pertinentes, mais dans des situations spécifiques, elles peuvent devenir importantes.

En 2021, par exemple, le physicien théoricien Ortwin Hess du Trinity College de Dublin et ses collègues dirigés par Hui Cao à l'Université de Yale dans le Connecticut a utilisé ces fluctuations pour produire un générateur de nombres aléatoires à partir d'un laser multimode. "Dans la description laser que nous utilisions à l'époque, [nous décrivions] l'imprévisibilité et les battements qui résulteraient de l'interaction de nombreux modes", explique Hess ; "mais c'était une conséquence très intéressante qui a permis de récolter les fluctuations quantiques."

Difficultés aléatoires

Malgré une utilisation répandue dans la cryptographie et les simulations informatiques, les ensembles de vrais nombres aléatoires sont notoirement difficiles à générer. Cela rend les travaux de Cao et Hess d'un grand intérêt en dehors du domaine de l'optique quantique.

Dans le nouveau travail, des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT) ont poussé ce concept un peu plus loin en appliquant un signal externe pour interférer avec les fluctuations quantiques et en mesurant l'effet de cette interférence. Yannick Salamin, Charles Roques Carmes et ses collègues ont placé un cristal de niobate de lithium dans une cavité optique et l'ont pompé avec des photons provenant d'un laser. Cela a généré des états excités dans le cristal qui se sont désintégrés pour produire deux photons d'exactement la moitié de l'énergie des photons de pompe.

"La phase que ces photons auront est complètement aléatoire car ils sont déclenchés par les fluctuations du vide", explique Salamin, "mais maintenant le photon va circuler dans la cavité et, lorsque le prochain photon arrivera, il pourra donner de l'énergie à ce même photon. et l'amplifier. Mais en raison de la nature physique de l'effet, seules deux phases possibles peuvent être amplifiées.

Transition de bifurcation

Les photons sont initialement amplifiés avec les deux phases, mais le système subit une "transition de bifurcation" et choisit un mode ou l'autre dès que suffisamment d'énergie s'accumule dans ce mode pour surmonter les pertes. "Une fois que vous êtes dans l'état d'équilibre, le résultat est fixé", explique Roques-Carmes. "Si vous voulez obtenir un nouvel échantillon, vous devez recommencer tout le processus, revenir à la distribution sous vide et repasser par la bifurcation", ajoute-t-il.

Lorsqu'aucun biais externe n'était appliqué, la cavité était également susceptible de se retrouver dans l'un des deux modes possibles, et les fréquences relatives des diverses combinaisons de résultats après des essais répétés formaient une distribution gaussienne parfaite. Les chercheurs ont alors appliqué un champ électromagnétique pulsé atténué jusqu'à ce qu'il soit de l'ordre des fluctuations du vide. Ils ont constaté que, bien que le système puisse encore s'installer dans l'un ou l'autre état, ils pouvaient biaiser la probabilité qu'il choisisse un état plutôt qu'un autre. Lorsqu'ils appliquaient un biais plus fort, le système sélectionnait systématiquement le même état.

L'équipe étudie actuellement les applications possibles, y compris le calcul probabiliste. "L'idée générale est qu'en couplant plusieurs p-bits [bits probabilistes] ensemble, nous pouvons construire un p-ordinateur", explique Roques-Carmes. "Il existe de nombreux domaines scientifiques dans lesquels vous souhaitez pouvoir coder l'incertitude... Nous prévoyons de prendre ce p-bit photonique et de l'incorporer dans une unité de traitement photonique." Les chercheurs étudient également la possibilité d'utiliser la réactivité du système à de petits champs électriques pour produire un capteur.

La recherche est décrite dans Sciences et Hess tient aux résultats décrits dans l'article. "C'est assez exceptionnel, car c'est presque comme si vous préjugiez les choses sans rien", explique Hess, qui n'a pas participé à ce dernier travail. "Ce qui m'a impressionné, c'est qu'ils ont une très belle façon d'écrire le manuscrit - ils le lient très fortement avec certains des grands maîtres de la science laser tels que Lamb et Purcell - ils citent Hawking et Unruh. Dans les années 1950 et 1960, il n'était vraiment pas clair combien de ces processus se produisaient et comment les fluctuations pouvaient être modifiées en fonction de l'endroit où elles se produisaient… Il y a beaucoup plus d'applications dans lesquelles on pourrait utiliser cela, mais d'un point de vue fondamental, je ' Je suis simplement impressionné par le fait qu'ils ont montré expérimentalement que les statistiques quantiques sont toujours des statistiques quantiques, même si elles sont biaisées d'une manière ou d'une autre.

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