A kvantumfluktuációkat most először sikerül ellenőrizni – állítják az optikai kutatók – a Physics World

A kvantumfluktuációkat most először sikerül ellenőrizni – állítják az optikai kutatók – a Physics World

Időbélyeg: 7. augusztus 2023. 9:30

Kvantum véletlen számok kísérlete
Kvantumvezérlés: a vákuum-ingadozásokból hangolható véletlenszámok generálására használt kísérleti elrendezés. (Jóvolt: Charles Roques-Carmes, Yannick Salamin)

Amerikai tudósok egy új technikát mutattak be az üres térben jelenlévő véletlenszerű energiaingadozások kihasználására és az ingadozások egy alkalmazott mezővel való torzítására. A kutatók úgy vélik, hogy a technika az érzékeléstől a véletlenszám-generálásig alkalmazható a valószínűségi optikai számításokban.

Ahogyan megtiltja, hogy egy részecske teljesen elveszítse a lendületet, a Heisenberg-féle bizonytalansági elv megakadályozza, hogy egy rendszer teljesen energiamentes legyen. A kvantummechanikában ezért a vákuumot az elektromos tér apró, véletlenszerű frekvenciájú ingadozásai töltik be. Ezek általában túl kicsik ahhoz, hogy kísérletileg relevánsak legyenek, de bizonyos helyzetekben fontossá válhatnak.

2021-ben például elméleti fizikus Ortwin Hess a Trinity College Dublin és munkatársai által vezetett Hui Cao A Connecticuti Yale Egyetemen ezeket az ingadozásokat használták fel véletlenszám-generátor előállítására többmódusú lézerből. „Az akkoriban használt lézeres leírásban [leírtuk] a kiszámíthatatlanságot és a verést, amely a sokféle mód egymásra hatásából fakadna” – magyarázza Hess; "de ez egy nagyon érdekes következmény volt, amely lehetővé tette a kvantumingadozások begyűjtését."

Véletlenszerű nehézségek

A titkosításban és számítógépes szimulációkban való széles körben elterjedt használat ellenére a valódi véletlenszámok halmazait köztudottan nehéz előállítani. Ez nagy érdeklődésre tart számot Cao és Hess munkája iránt a kvantumoptika területén kívül.

Az új munkában a Massachusetts Institute of Technology (MIT) kutatói egy lépéssel tovább vitték ezt a koncepciót azáltal, hogy külső jelet alkalmaztak a kvantumingadozások interferenciájára, és megmérték az interferencia hatását. Yannick Salamin, Charles Roques-Carmes és munkatársai egy lítium-niobát kristályt helyeztek el egy optikai üregben, és lézerrel pumpálták azt fotonokkal. Ez gerjesztett állapotokat generált a kristályban, amelyek lebomlása során két foton keletkezett, amelyek energiája pontosan fele a pumpa fotonjainak.

„Az a fázis, amelyben ezek a fotonok lesznek, teljesen véletlenszerű, mert a vákuum-ingadozások váltják ki őket – magyarázza Salamin –, de most a foton kering az üregben, és amikor a következő foton jön, energiát adhat ugyanannak a fotonnak. és felerősíti azt. De a hatás fizikai természete miatt csak két lehetséges fázist lehet felerősíteni.”

Bifurkációs átmenet

A fotonokat kezdetben mindkét fázis felerősíti, de a rendszer „bifurkációs átmeneten” megy keresztül, és kiválasztja az egyik vagy másik üzemmódot, amint elegendő energia halmozódik fel abban a módban a veszteségek leküzdéséhez. „Ha egyensúlyi állapotba került, az eredmény rögzül” – magyarázza Roques-Carmes. „Ha új mintát szeretne kapni, újra kell indítania az egész folyamatot, vissza kell térnie a vákuum-eloszláshoz, és újra át kell mennie a bifurkáción” – teszi hozzá.

Ha nem alkalmaztak külső torzítást, az üreg ugyanolyan valószínűséggel került a két lehetséges mód bármelyikébe, és az eredmények különböző kombinációinak relatív gyakorisága az ismételt kísérletek után tökéletes Gauss-eloszlást alkotott. A kutatók ezután impulzusos elektromágneses teret alkalmaztak, amelyet addig gyengítettek, amíg az a vákuum-ingadozások nagyságrendjébe nem került. Azt találták, hogy bár a rendszer még mindig be tud állni bármelyik állapotba, torzíthatják annak valószínűségét, hogy az egyik állapotot választja a másikkal szemben. Amikor erősebb torzítást alkalmaztak, a rendszer következetesen ugyanazt az állapotot választotta.

A csapat jelenleg a lehetséges alkalmazásokat tanulmányozza, beleértve a valószínűségi számításokat is. „Az általános elképzelés az, hogy sok p-bit [valószínűségi bit] összekapcsolásával p-számítógépet építhetünk fel” – mondja Roques-Carmes. "Sok tudományterület van, ahol kódolni szeretné a bizonytalanságot... Tervezzük, hogy ezt a fotonikus p-bitet beépítjük egy fotonikus feldolgozó egységbe." A kutatás azt is vizsgálja, hogy a rendszer kis elektromos mezőkre adott válaszkészségét hogyan lehetne felhasználni egy érzékelő előállítására.

A kutatás leírása a Tudomány Hess pedig nagyon kíváncsi az újságban leírt eredményekre. „Ez egészen kivételes, mert szinte olyan, mintha semmivel sem torzítanád a dolgokat” – mondja Hess, aki nem vett részt ebben a legutóbbi munkában. „Ami lenyűgözött, az az, hogy nagyon szépen írják meg a kéziratot – nagyon szorosan összekapcsolják a lézertudomány néhány nagymesterével, mint például Lamb és Purcell –, idézik Hawkingot és Unruht. Az 1950-es és 1960-as években nem igazán volt világos, hogy hány ilyen folyamat jött létre, és hogyan változtathatók meg az ingadozások aszerint, hogy hol fordulnak elő… Sokkal több alkalmazásban lehet ezt használni, de alapvető szempontból én Egyszerűen lenyűgözött az a tény, hogy kísérletileg kimutatták, hogy a kvantumstatisztika akkor is kvantumstatisztika, még ha valamilyen módon elfogult is.”

Időbélyeg:

Még több Fizika Világa