תנודות קוונטיות נשלטות לראשונה, אומרים חוקרי אופטיקה - Physics World

תנודות קוונטיות נשלטות לראשונה, אומרים חוקרי אופטיקה - Physics World

חותמת זמן: 7 באוגוסט, 2023 9:30

ניסוי מספרים אקראיים קוונטיים
בקרה קוונטית: מערך הניסוי המשמש ליצירת מספרים אקראיים הניתנים לכוונון מתנודות ואקום. (באדיבות: צ'רלס רוקס-כרמס, יאניק סלאמין)

טכניקה חדשה לניצול תנודות האנרגיה האקראיות הקיימות בחלל ריק והטיית התנודות עם שדה יישומי הוכחה על ידי מדענים אמריקאים. החוקרים מאמינים שלטכניקה יכולות להיות יישומים מחישה ועד יצירת מספרים אקראי במחשוב אופטי הסתברותי.

בדיוק כפי שהוא אוסר על חלקיק להיפסל לחלוטין מתנופה, עיקרון אי הוודאות של הייזנברג מונע ממערכת להיות נטולת אנרגיה לחלוטין. במכניקת הקוונטים, אם כן, ואקום מאוכלס בתנודות זעירות בשדה החשמלי בתדרים אקראיים. אלה בדרך כלל קטנים מכדי להיות רלוונטיים לניסוי, אבל במצבים ספציפיים הם יכולים להיות חשובים.

בשנת 2021, למשל, פיזיקאי תיאורטי אורטווין הס של טריניטי קולג' דבלין ועמיתיו בראשות הוי קאו באוניברסיטת ייל בקונטיקט ניצלה את התנודות הללו כדי לייצר מחולל מספרים אקראיים מלייזר רב-מצבי. "בתיאור הלייזר שבו השתמשנו אז, [תיארנו] את חוסר הניבוי וההכאה שייגרמו כתוצאה מאינטראקציה בין מצבים רבים", מסביר הס; "אבל זו הייתה תוצאה מעניינת מאוד שאפשרה את הקציר של התנודות הקוונטיות."

קשיים אקראיים

למרות השימוש הנרחב בהצפנה ובסימולציות ממוחשבות, קבוצות של מספרים אקראיים אמיתיים ידועים בקושי ליצור. זה הופך את עבודתם של קאו והס לעניין רב מחוץ לתחום האופטיקה הקוונטית.

בעבודה החדשה, חוקרים במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT) לקחו את הרעיון הזה צעד קדימה על ידי הפעלת אות חיצוני כדי להפריע לתנודות הקוונטיות ולמדוד את ההשפעה של הפרעה זו. יאניק סלאמין, צ'ארלס רוקס-כרמס ועמיתיו הניחו גביש ליתיום ניובאט בחלל אופטי ושאבו אותו עם פוטונים מלייזר. זה יצר מצבים נרגשים בגביש שהתכלה ויצר שני פוטונים של מחצית האנרגיה בדיוק של פוטוני המשאבה.

"השלב שיהיו לפוטונים האלה הוא אקראי לחלוטין מכיוון שהם מופעלים על ידי תנודות הוואקום", מסביר סלאמין, "אבל כעת הפוטון יסתובב בחלל וכאשר הפוטון הבא יגיע, הוא יכול לתת אנרגיה לאותו פוטון. ולהגביר אותו. אבל בגלל האופי הפיזי של האפקט, ניתן להגביר רק שני שלבים אפשריים."

מעבר התפצלות

פוטונים מוגברים בתחילה עם שני השלבים, אך המערכת עוברת "מעבר התפצלות" ובוחרת מצב זה או אחר ברגע שמצטברת מספיק אנרגיה במצב זה כדי להתגבר על הפסדים. "ברגע שאתה במצב יציב, התוצאה קבועה", מסביר Roques-Carmes. "אם אתה רוצה לקבל דגימה חדשה, אתה צריך להתחיל מחדש את כל התהליך, לחזור לחלוקת הוואקום ולעבור שוב את ההתפצלות", הוא מוסיף.

כאשר לא הוחלה הטיה חיצונית, סביר להניח שהחלל יסתיים בכל אחד משני המצבים האפשריים, והתדרים היחסיים של שילובים שונים של תוצאות לאחר ניסויים חוזרים ונשנים יצרו התפלגות גאוסית מושלמת. לאחר מכן החוקרים הפעילו שדה אלקטרומגנטי פועם מוחלש עד שהוא היה בסדר תנודות הוואקום. הם גילו שלמרות שהמערכת עדיין יכולה להתיישב בכל אחד מהמצבים, הם יכולים להטות את ההסתברות שהיא תבחר מצב אחד על פני השני. כשהם הפעילו הטיה חזקה יותר, המערכת בחרה בעקביות באותו מצב.

הצוות בוחן כעת יישומים אפשריים, כולל מחשוב הסתברותי. "הרעיון הכללי הוא שעל ידי צימוד p-bits [סיביות הסתברותיות] רבות יחד נוכל לבנות מחשב p", אומר Roques-Carmes. "ישנם תחומי מדע רבים שבהם אתה רוצה להיות מסוגל לקודד אי ודאות... אנו מתכננים לקחת את ה-p-bit הפוטוני הזה ולשלב אותו ביחידת עיבוד פוטונית." המחקר גם בוחן את האפשרות להשתמש בהיענות המערכת לשדות חשמליים קטנים כדי לייצר חיישן.

המחקר מתואר ב מדע והס נלהב מהתוצאות המתוארות בעיתון. "זה די יוצא דופן, כי זה כמעט כמו שאתה משטה דברים בלי כלום", אומר הס, שלא היה מעורב בעבודה האחרונה הזו. "מה שהרשים אותי הוא שיש להם דרך מאוד נחמדה לכתוב את כתב היד - הם מקשרים אותו חזק מאוד עם כמה מהמאסטרים הגדולים של מדעי הלייזר כמו Lamb ו-Purcell - הם מצטטים את הוקינג ואנרה. בשנות ה-1950 וה-1960 באמת לא היה ברור כמה מהתהליכים הללו נוצרו וכיצד ניתן לשנות תנודות לפי המקום שבו הן מתרחשות... יש הרבה יותר יישומים שבהם אפשר להשתמש בזה, אבל מנקודת מבט בסיסית אני' פשוט התרשמתי מהעובדה שהם הראו בניסוי שסטטיסטיקה קוונטית היא עדיין סטטיסטיקה קוונטית גם אם היא מוטה בצורה כלשהי."

בול זמן:

עוד מ עולם הפיזיקה