양자 변동이 처음으로 제어된다고 광학 연구자들이 말하다 – Physics World

빈 공간에 존재하는 임의의 에너지 변동을 이용하고 적용된 필드로 변동을 편향시키는 새로운 기술이 미국 과학자들에 의해 시연되었습니다. 연구원들은 이 기술이 확률론적 광학 컴퓨팅에서 센싱에서 난수 생성에 이르기까지 응용할 수 있다고 믿습니다.

입자가 운동량을 완전히 상실하는 것을 금지하는 것처럼 하이젠베르크의 불확정성 원리는 시스템이 에너지를 완전히 상실하는 것을 방지합니다. 따라서 양자 역학에서 진공은 임의의 주파수에서 전기장의 미세한 요동으로 채워집니다. 이들은 일반적으로 실험적으로 관련되기에는 너무 작지만 특정 상황에서는 중요해질 수 있습니다.

예를 들어 2021년에는 이론물리학자 오트윈 헤스 트리니티 칼리지 더블린(Trinity College Dublin)과 차오 후이 코네티컷의 예일 대학에서는 이러한 변동을 활용하여 다중 모드 레이저에서 난수 생성기를 생성했습니다. Hess는 "당시 사용했던 레이저 설명에서 [우리는] 예측 불가능성과 상호 작용하는 많은 모드로 인해 발생하는 박동을 설명했습니다."라고 설명합니다. "그러나 그것은 양자 요동을 수확할 수 있는 매우 흥미로운 결과였습니다."

무작위 난이도

암호화 및 컴퓨터 시뮬레이션에서 널리 사용되지만 진정한 난수 세트는 생성하기 어려운 것으로 악명 높습니다. 이것은 Cao와 Hess의 작업을 양자 광학 분야 이외의 큰 관심 대상으로 만듭니다.

새로운 연구에서 MIT(Massachusetts Institute of Technology)의 연구원들은 양자 요동을 간섭하기 위해 외부 신호를 적용하고 이 간섭의 영향을 측정함으로써 이 개념을 한 단계 더 발전시켰습니다. 야닉 살라민, 샤를 로크-카르메스 동료들은 광학 공동에 니오브 산 리튬 결정을 놓고 레이저에서 광자로 펌핑했습니다. 이것은 펌프 광자 에너지의 정확히 절반인 두 개의 광자를 생성하기 위해 붕괴되는 결정에서 여기 상태를 생성했습니다.

"이러한 광자가 가질 위상은 진공 요동에 의해 촉발되기 때문에 완전히 무작위입니다. 그러나 이제 광자는 공동에서 순환하고 다음 광자가 오면 동일한 광자에 에너지를 줄 수 있습니다. 그리고 그것을 증폭하십시오. 그러나 효과의 물리적 특성 때문에 가능한 두 단계만 증폭될 수 있습니다.”

분기 전환

광자는 처음에 두 단계 모두에서 증폭되지만 시스템은 "분기 전환"을 겪고 손실을 극복할 수 있을 만큼 충분한 에너지가 해당 모드에 축적되는 즉시 한 모드 또는 다른 모드를 선택합니다. Roques-Carmes는 “일단 안정 상태에 있으면 결과가 확정됩니다. "새 샘플을 얻으려면 전체 프로세스를 다시 시작하고 진공 분배로 돌아가 분기를 다시 거쳐야 합니다."라고 그는 덧붙입니다.

외부 편향이 적용되지 않았을 때 공동은 두 가지 가능한 모드 중 하나로 끝날 가능성이 동일하며 반복된 시도 후 결과의 다양한 조합의 상대 빈도는 완벽한 가우시안 분포를 형성했습니다. 그런 다음 연구원들은 진공 변동 정도가 될 때까지 감쇠된 펄스 전자기장을 적용했습니다. 그들은 시스템이 여전히 어느 한 상태에 정착할 수 있지만 다른 상태보다 한 상태를 선택할 확률을 편향시킬 수 있음을 발견했습니다. 더 강한 편향을 적용했을 때 시스템은 일관되게 동일한 상태를 선택했습니다.

손끝에 맞는 빠른 양자 난수 생성기

팀은 현재 확률 컴퓨팅을 포함하여 가능한 응용 프로그램을 연구하고 있습니다. Roques-Carmes는 "일반적인 아이디어는 많은 p-비트[확률적 비트]를 결합하여 p-컴퓨터를 구축할 수 있다는 것입니다."라고 말합니다. "불확실성을 인코딩할 수 있기를 원하는 많은 과학 분야가 있습니다. 우리는 이 광자 p-비트를 가져와 광자 처리 장치에 통합할 계획입니다." 이 연구는 또한 센서를 생산하기 위해 작은 전기장에 대한 시스템의 반응성을 사용할 가능성을 조사하고 있습니다.

연구는 다음에 설명되어 있습니다. 과학 그리고 Hess는 논문에 기술된 결과에 열중하고 있습니다. 이 최신 작업에 참여하지 않은 Hess는 "아무것도 없는 것으로 편향된 것과 거의 같기 때문에 매우 예외적입니다."라고 말합니다. “저에게 깊은 인상을 준 것은 그들이 원고를 작성하는 아주 좋은 방법을 가지고 있다는 것입니다. 그들은 그것을 Lamb 및 Purcell과 같은 레이저 과학의 거장들과 매우 강력하게 연결하고 있습니다. 그들은 Hawking과 Unruh를 인용합니다. 1950년대와 1960년대에는 이러한 프로세스가 얼마나 많이 발생했는지, 발생 위치에 따라 변동이 어떻게 변경될 수 있는지 명확하지 않았습니다. 이것을 사용할 수 있는 훨씬 더 많은 응용 프로그램이 있지만 근본적인 관점에서 저는 ' 나는 그들이 양자 통계가 어떤 식으로 편향되어 있더라도 여전히 양자 통계라는 것을 실험적으로 보여주었다는 사실에 깊은 인상을 받았습니다.”

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