Kwantumfluctuaties worden voor het eerst gecontroleerd, zeggen optica-onderzoekers - Physics World

Een nieuwe techniek voor het exploiteren van de willekeurige energiefluctuaties die aanwezig zijn in de lege ruimte en het beïnvloeden van de fluctuaties met een toegepast veld is gedemonstreerd door Amerikaanse wetenschappers. De onderzoekers geloven dat de techniek toepassingen zou kunnen hebben van detectie tot het genereren van willekeurige getallen in probabilistische optische computers.

Net zoals het verbiedt dat een deeltje volledig verstoken is van momentum, verhindert het onzekerheidsprincipe van Heisenberg dat een systeem totaal verstoken is van energie. In de kwantummechanica wordt een vacuüm daarom bevolkt door kleine fluctuaties in het elektrische veld met willekeurige frequenties. Deze zijn normaal gesproken te klein om experimenteel relevant te zijn, maar in specifieke situaties kunnen ze belangrijk worden.

In 2021 bijvoorbeeld theoretisch natuurkundige Ortwin Hessen van Trinity College Dublin en collega's onder leiding van Hui Cao aan de Yale Universiteit in Connecticut gebruikte deze fluctuaties om een ​​generator voor willekeurige getallen te produceren met een multi-mode laser. “In de laserbeschrijving die we destijds gebruikten, [beschreven we] de onvoorspelbaarheid en de trillingen die het gevolg zouden zijn van de interactie tussen de vele modi”, legt Hess uit; "maar dat was een zeer interessante consequentie die het mogelijk maakte om de kwantumfluctuaties te oogsten."

Willekeurige moeilijkheden

Ondanks het wijdverbreide gebruik in cryptografie en computersimulaties zijn sets van echte willekeurige getallen notoir moeilijk te genereren. Dit maakt het werk van Cao en Hess van groot belang buiten het gebied van de kwantumoptica.

In het nieuwe werk gingen onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) nog een stap verder met dit concept door een extern signaal toe te passen om de kwantumfluctuaties te verstoren en het effect van deze interferentie te meten. Yannick Salamin, Charles Roques-Carmes en collega's plaatsten een lithiumniobaatkristal in een optische holte en pompten het met fotonen van een laser. Dit genereerde aangeslagen toestanden in het kristal die vervielen en twee fotonen produceerden met precies de helft van de energie van de pompfotonen.

“De fase die deze fotonen zullen hebben is volkomen willekeurig omdat ze worden veroorzaakt door de vacuümfluctuaties”, legt Salamin uit, “maar nu zal het foton in de holte circuleren en, wanneer het volgende foton komt, kan het energie aan datzelfde foton geven. en versterk het. Maar vanwege de fysieke aard van het effect kunnen slechts twee mogelijke fasen worden versterkt.”

Bifurcatie overgang

Fotonen worden aanvankelijk in beide fasen versterkt, maar het systeem ondergaat een ‘bifurcatie-overgang’ en kiest voor de ene of de andere modus zodra er in die modus voldoende energie is verzameld om verliezen te overwinnen. “Als je eenmaal in de stabiele toestand bent, staat de uitkomst vast”, legt Roques-Carmes uit. “Als je een nieuw monster wilt krijgen, moet je het hele proces opnieuw starten, teruggaan naar de vacuümdistributie en opnieuw door de splitsing gaan”, voegt hij eraan toe.

Als er geen externe bias werd toegepast, was de kans even waarschijnlijk dat de holte in een van de twee mogelijke modi terecht zou komen, en vormden de relatieve frequenties van verschillende combinaties van uitkomsten na herhaalde tests een perfecte Gaussiaanse verdeling. De onderzoekers pasten vervolgens een gepulseerd elektromagnetisch veld toe, verzwakt totdat het in de orde van de vacuümfluctuaties lag. Ze ontdekten dat, hoewel het systeem zich nog steeds in een van beide staten kon vestigen, ze de waarschijnlijkheid konden beïnvloeden dat het de ene staat boven de andere zou verkiezen. Toen ze een sterkere bias toepasten, koos het systeem consequent dezelfde status.

Snelle kwantumgenerator voor willekeurige getallen past op een vingertop

Het team bestudeert nu mogelijke toepassingen, waaronder probabilistisch computergebruik. “Het algemene idee is dat we, door veel p-bits [probabilistische bits] aan elkaar te koppelen, een p-computer kunnen bouwen”, zegt Roques-Carmes. "Er zijn veel wetenschapsgebieden waar je onzekerheid wilt kunnen coderen... We zijn van plan om deze fotonische p-bit te nemen en deze in een fotonische verwerkingseenheid op te nemen." Het onderzoek onderzoekt ook de mogelijkheid om de reactiesnelheid van het systeem op kleine elektrische velden te gebruiken om een ​​sensor te produceren.

Het onderzoek is beschreven in Wetenschap en Hess is enthousiast over de resultaten die in het artikel worden beschreven. “Het is vrij uitzonderlijk, omdat het bijna lijkt alsof je dingen met niets vertekend”, zegt Hess, die niet betrokken was bij dit laatste werk. “Wat indruk op mij maakte, is dat ze het manuscript op een heel prettige manier schrijven – ze verbinden het heel sterk met enkele van de grootmeesters van de laserwetenschap zoals Lamb en Purcell – ze citeren Hawking en Unruh. In de jaren vijftig en zestig was het niet echt duidelijk hoeveel van deze processen tot stand kwamen en hoe fluctuaties kunnen worden veranderd door de plaats waar ze plaatsvinden... Er zijn veel meer toepassingen waarin je dit zou kunnen gebruiken, maar vanuit een fundamenteel oogpunt ben ik' Ik ben gewoon onder de indruk van het feit dat ze experimenteel hebben aangetoond dat kwantumstatistiek nog steeds kwantumstatistiek is, ook al is deze op de een of andere manier bevooroordeeld.’

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. Automotive / EV's, carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• BlockOffsets. Eigendom voor milieucompensatie moderniseren. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/quantum-fluctuations-are-controlled-for-the-first-time-say-optics-researchers/