Fluktuacje kwantowe są po raz pierwszy kontrolowane - mówią badacze optyki - Physics World

Amerykańscy naukowcy zademonstrowali nową technikę wykorzystywania przypadkowych fluktuacji energii obecnych w pustej przestrzeni i odchylania tych fluktuacji przyłożonym polem. Naukowcy są przekonani, że technika ta może mieć zastosowanie od wykrywania do generowania liczb losowych w probabilistycznych obliczeniach optycznych.

Tak jak zabrania cząstce całkowitej utraty pędu, zasada nieoznaczoności Heisenberga zapobiega całkowitemu pozbawieniu układu energii. Dlatego w mechanice kwantowej próżnia jest wypełniana przez niewielkie fluktuacje pola elektrycznego o losowych częstotliwościach. Są one zwykle zbyt małe, aby miały znaczenie eksperymentalne, ale w określonych sytuacjach mogą stać się ważne.

W 2021 np. fizyk teoretyczny Ortwina Hessa z Trinity College Dublin i współpracownicy pod kierunkiem Hui Cao na Uniwersytecie Yale w Connecticut wykorzystali te fluktuacje do stworzenia generatora liczb losowych z lasera wielomodowego. „W opisie lasera, którego wtedy używaliśmy [opisaliśmy] nieprzewidywalność i dudnienie, które wynikałoby z interakcji wielu trybów”, wyjaśnia Hess; „ale to była bardzo interesująca konsekwencja, która pozwoliła na zebranie fluktuacji kwantowych”.

Losowe trudności

Pomimo powszechnego zastosowania w kryptografii i symulacjach komputerowych, zestawy prawdziwych liczb losowych są niezwykle trudne do wygenerowania. To sprawia, że ​​praca Cao i Hessa cieszy się dużym zainteresowaniem poza dziedziną optyki kwantowej.

W nowej pracy naukowcy z Massachusetts Institute of Technology (MIT) poszli o krok dalej w tej koncepcji, stosując zewnętrzny sygnał do zakłócania fluktuacji kwantowych i mierząc efekt tej interferencji. Yannick Salamin, Charlesa Roques-Carmesa i współpracownicy umieścili kryształ niobianu litu we wnęce optycznej i pompowali go fotonami z lasera. To wygenerowało stany wzbudzone w krysztale, które rozpadły się, tworząc dwa fotony o dokładnie połowie energii fotonów pompujących.

„Faza, jaką będą miały te fotony, jest całkowicie przypadkowa, ponieważ są one wyzwalane przez fluktuacje próżni”, wyjaśnia Salamin, „ale teraz foton będzie krążył we wnęce, a kiedy nadejdzie następny foton, może przekazać energię temu samemu fotonowi i wzmacniać. Jednak ze względu na fizyczną naturę efektu można wzmocnić tylko dwie możliwe fazy”.

Przejście bifurkacyjne

Fotony są początkowo wzmacniane w obu fazach, ale system przechodzi „przejście bifurkacyjne” i wybiera jeden lub drugi tryb, gdy tylko w tym trybie zgromadzi się wystarczająca ilość energii, aby przezwyciężyć straty. „Kiedy jesteś w stanie ustalonym, wynik jest ustalony” — wyjaśnia Roques-Carmes. „Jeśli chcesz otrzymać nową próbkę, musisz zrestartować cały proces, wrócić do dystrybucji podciśnienia i ponownie przejść przez bifurkację” – dodaje.

Gdy nie zastosowano zewnętrznego odchylenia, wnęka z równym prawdopodobieństwem znalazła się w jednym z dwóch możliwych trybów, a względne częstotliwości różnych kombinacji wyników po wielokrotnych próbach tworzyły doskonały rozkład Gaussa. Następnie naukowcy zastosowali pulsacyjne pole elektromagnetyczne osłabione, aż osiągnęło poziom fluktuacji próżni. Odkryli, że chociaż system może nadal ustabilizować się w dowolnym stanie, mogą obciążyć prawdopodobieństwo, że wybierze jeden stan zamiast drugiego. Kiedy zastosowali silniejsze nastawienie, system konsekwentnie wybierał ten sam stan.

Szybki kwantowy generator liczb losowych mieści się na czubku palca

Zespół bada obecnie możliwe zastosowania, w tym obliczenia probabilistyczne. „Ogólna idea polega na tym, że łącząc ze sobą wiele p-bitów [bitów probabilistycznych] możemy zbudować p-komputer” — mówi Roques-Carmes. „Istnieje wiele dziedzin nauki, w których chcesz móc zakodować niepewność… Planujemy wziąć ten fotoniczny p-bit i włączyć go do jednostki przetwarzania fotonicznego”. W ramach badań badana jest również możliwość wykorzystania reakcji systemu na małe pola elektryczne do wytworzenia czujnika.

Badania opisano w nauka a Hess jest zainteresowany wynikami opisanymi w artykule. „To dość wyjątkowe, ponieważ to prawie tak, jakbyś oceniał rzeczy bez niczego” — mówi Hess, który nie był zaangażowany w tę ostatnią pracę. „Zaimponowało mi to, że mają bardzo dobry sposób napisania manuskryptu – bardzo mocno łączą go z niektórymi wielkimi mistrzami nauki o laserach, takimi jak Lamb i Purcell – cytują Hawkinga i Unruha. W latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych XX wieku tak naprawdę nie było jasne, ile z tych procesów miało miejsce i jak fluktuacje można zmienić w zależności od miejsca ich wystąpienia… Jest o wiele więcej zastosowań, w których można to wykorzystać, ale z fundamentalnego punktu widzenia uważam, że Jestem pod wrażeniem faktu, że eksperymentalnie wykazali, że statystyka kwantowa jest nadal statystyką kwantową, nawet jeśli jest w jakiś sposób stronnicza”.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Motoryzacja / pojazdy elektryczne, Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Przesunięcia bloków. Modernizacja własności offsetu środowiskowego. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/quantum-fluctuations-are-controlled-for-the-first-time-say-optics-researchers/