Le fluttuazioni quantistiche sono controllate per la prima volta, affermano i ricercatori di ottica - Physics World

Scienziati statunitensi hanno dimostrato una nuova tecnica per sfruttare le fluttuazioni casuali di energia presenti nello spazio vuoto e polarizzare le fluttuazioni con un campo applicato. I ricercatori ritengono che la tecnica potrebbe avere applicazioni dal rilevamento alla generazione di numeri casuali nel calcolo ottico probabilistico.

Proprio come impedisce a una particella di essere completamente priva di quantità di moto, il principio di indeterminazione di Heisenberg impedisce a un sistema di essere totalmente privo di energia. Nella meccanica quantistica, quindi, il vuoto è popolato da minuscole fluttuazioni nel campo elettrico a frequenze casuali. Questi sono normalmente troppo piccoli per essere sperimentalmente rilevanti, ma in situazioni specifiche possono diventare importanti.

Nel 2021, ad esempio, fisico teorico Ortwin Hess del Trinity College di Dublino e colleghi guidati da Hui Cao alla Yale University nel Connecticut ha utilizzato queste fluttuazioni per produrre un generatore di numeri casuali da un laser multimodale. "Nella descrizione del laser che usavamo allora, [abbiamo descritto] l'imprevedibilità e il battito che risulterebbe dalle molte modalità interagenti", spiega Hess; "ma questa è stata una conseguenza molto interessante che ha permesso di raccogliere le fluttuazioni quantistiche".

Difficoltà casuali

Nonostante l'uso diffuso nella crittografia e nelle simulazioni al computer, gli insiemi di veri numeri casuali sono notoriamente difficili da generare. Questo rende il lavoro di Cao e Hess di grande interesse al di fuori del campo dell'ottica quantistica.

Nel nuovo lavoro, i ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) hanno fatto un ulteriore passo avanti in questo concetto applicando un segnale esterno per interferire con le fluttuazioni quantistiche e misurando l'effetto di questa interferenza. Yannick Salamin, Carlo Roques-Carmes e colleghi hanno posizionato un cristallo di niobato di litio in una cavità ottica e lo hanno pompato con fotoni da un laser. Ciò ha generato stati eccitati nel cristallo che sono decaduti per produrre due fotoni di esattamente la metà dell'energia dei fotoni pompa.

“La fase che avranno questi fotoni è del tutto casuale perché sono innescati dalle fluttuazioni del vuoto”, spiega Salamin, “ma ora il fotone circolerà nella cavità e, quando arriverà il fotone successivo, potrà dare energia a quello stesso fotone e amplificarlo. Ma a causa della natura fisica dell'effetto, solo due possibili fasi possono essere amplificate.

Transizione di biforcazione

I fotoni vengono inizialmente amplificati con entrambe le fasi, ma il sistema subisce una "transizione di biforcazione" e sceglie una modalità o l'altra non appena in quella modalità si accumula abbastanza energia per superare le perdite. "Una volta raggiunto lo stato stazionario, il risultato è fisso", spiega Roques-Carmes. "Se vuoi ottenere un nuovo campione, devi riavviare l'intero processo, tornare alla distribuzione del vuoto e passare di nuovo attraverso la biforcazione", aggiunge.

Quando non veniva applicata alcuna distorsione esterna, la cavità aveva la stessa probabilità di finire in uno dei due modi possibili e le frequenze relative di varie combinazioni di risultati dopo prove ripetute formavano una perfetta distribuzione gaussiana. I ricercatori hanno quindi applicato un campo elettromagnetico pulsato attenuato fino a raggiungere l'ordine delle fluttuazioni del vuoto. Hanno scoperto che, sebbene il sistema potesse ancora stabilizzarsi in uno dei due stati, potevano pregiudicare la probabilità che scegliesse uno stato rispetto all'altro. Quando hanno applicato una distorsione più forte, il sistema ha costantemente scelto lo stesso stato.

Il generatore di numeri casuali quantistici veloce si adatta alla punta di un dito

Il team sta ora studiando le possibili applicazioni, incluso il calcolo probabilistico. "L'idea generale è che accoppiando molti p-bit [bit probabilistici] insieme possiamo costruire un p-computer", dice Roques-Carmes. "Ci sono molte aree della scienza in cui vuoi essere in grado di codificare l'incertezza... Abbiamo in programma di prendere questo p-bit fotonico e incorporarlo in un'unità di elaborazione fotonica". La ricerca sta anche studiando la possibilità di utilizzare la reattività del sistema a piccoli campi elettrici per produrre un sensore.

La ricerca è descritta in Scienze e Hess è entusiasta dei risultati descritti nel documento. "È piuttosto eccezionale, perché è quasi come se si tendessero le cose a niente", dice Hess, che non è stato coinvolto in quest'ultimo lavoro. “Ciò che mi ha colpito è che hanno un modo molto carino di scrivere il manoscritto – lo collegano molto fortemente con alcuni dei grandi maestri della scienza del laser come Lamb e Purcell – citano Hawking e Unruh. Negli anni '1950 e '1960 non era davvero chiaro quanti di questi processi si verificassero e come le fluttuazioni potessero essere modificate in base al luogo in cui si verificano... Ci sono molte più applicazioni in cui si potrebbe usare questo, ma da un punto di vista fondamentale io' Sono solo impressionato dal fatto che abbiano dimostrato sperimentalmente che la statistica quantistica è ancora statistica quantistica anche se in qualche modo è distorta.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/quantum-fluctuations-are-controlled-for-the-first-time-say-optics-researchers/