Flutuações quânticas são controladas pela primeira vez, dizem pesquisadores de óptica – Physics World

Flutuações quânticas são controladas pela primeira vez, dizem pesquisadores de óptica – Physics World

Carimbo de data / hora: 7 de agosto de 2023, 9h

Experimento de números aleatórios quânticos
Controle quântico: a configuração experimental usada para gerar números aleatórios ajustáveis ​​a partir de flutuações de vácuo. (Cortesia: Charles Roques-Carmes, Yannick Salamin)

Uma nova técnica para explorar as flutuações aleatórias de energia presentes no espaço vazio e polarizar as flutuações com um campo aplicado foi demonstrada por cientistas dos EUA. Os pesquisadores acreditam que a técnica pode ter aplicações desde detecção até geração de números aleatórios em computação óptica probabilística.

Assim como proíbe que uma partícula seja completamente desprovida de momento, o princípio da incerteza de Heisenberg impede que um sistema seja totalmente desprovido de energia. Na mecânica quântica, portanto, o vácuo é preenchido por pequenas flutuações no campo elétrico em frequências aleatórias. Normalmente são demasiado pequenos para serem experimentalmente relevantes, mas em situações específicas podem tornar-se importantes.

Em 2021, por exemplo, o físico teórico Ortwin Hess do Trinity College Dublin e colegas liderados por Hui Cao na Universidade de Yale, em Connecticut, utilizou essas flutuações para produzir um gerador de números aleatórios a partir de um laser multimodo. “Na descrição do laser que usamos naquela época, [descrevemos] a imprevisibilidade e a surra que resultaria da interação de muitos modos”, explica Hess; “mas essa foi uma consequência muito interessante que permitiu a colheita das flutuações quânticas.”

Dificuldades aleatórias

Apesar do uso generalizado em criptografia e simulações computacionais, conjuntos de números aleatórios verdadeiros são notoriamente difíceis de gerar. Isso torna o trabalho de Cao e Hess de grande interesse fora do campo da óptica quântica.

No novo trabalho, pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) levaram esse conceito um passo adiante, aplicando um sinal externo para interferir nas flutuações quânticas e medindo o efeito dessa interferência. Yannick Salamin, Charles Roques-Carmes e colegas colocaram um cristal de niobato de lítio em uma cavidade óptica e o bombearam com fótons de um laser. Isso gerou estados excitados no cristal que decaíram para produzir dois fótons com exatamente metade da energia dos fótons da bomba.

“A fase que esses fótons terão é completamente aleatória porque são acionadas pelas flutuações do vácuo”, explica Salamin, “mas agora o fóton vai circular na cavidade e, quando o próximo fóton chegar, poderá dar energia a esse mesmo fóton. e amplificá-lo. Mas devido à natureza física do efeito, apenas duas fases possíveis podem ser amplificadas.”

Transição de bifurcação

Os fótons são inicialmente amplificados com ambas as fases, mas o sistema passa por uma “transição de bifurcação” e escolhe um modo ou outro assim que se acumula energia suficiente nesse modo para superar as perdas. “Uma vez no estado estacionário, o resultado é fixo”, explica Roques-Carmes. “Se quiser obter uma nova amostra, é preciso reiniciar todo o processo, voltar à distribuição de vácuo e passar novamente pela bifurcação”, acrescenta.

Quando nenhum viés externo foi aplicado, a cavidade tinha a mesma probabilidade de terminar em qualquer um dos dois modos possíveis, e as frequências relativas de várias combinações de resultados após tentativas repetidas formaram uma distribuição gaussiana perfeita. Os pesquisadores então aplicaram um campo eletromagnético pulsado atenuado até ficar na ordem das flutuações do vácuo. Eles descobriram que, embora o sistema ainda pudesse se estabelecer em qualquer um dos estados, eles poderiam distorcer a probabilidade de escolher um estado em detrimento do outro. Quando aplicaram um viés mais forte, o sistema escolheu consistentemente o mesmo estado.

A equipe está agora estudando possíveis aplicações, incluindo computação probabilística. “A ideia geral é que, acoplando muitos p-bits [bits probabilísticos], podemos construir um p-computador”, diz Roques-Carmes. “Existem muitas áreas da ciência onde você deseja codificar a incerteza… Planejamos pegar esse p-bit fotônico e incorporá-lo em uma unidade de processamento fotônico.” A pesquisa também investiga a possibilidade de utilizar a capacidade de resposta do sistema a pequenos campos elétricos para produzir um sensor.

A pesquisa é descrita em Ciência e Hess está entusiasmado com os resultados descritos no artigo. “É bastante excepcional, porque é quase como se você distorcesse as coisas sem nada”, diz Hess, que não esteve envolvido neste último trabalho. “O que me impressionou é que eles têm uma maneira muito agradável de escrever o manuscrito – eles o ligam fortemente a alguns dos grandes mestres da ciência do laser, como Lamb e Purcell – eles citam Hawking e Unruh. Nas décadas de 1950 e 1960, não estava claro quantos desses processos aconteciam e como as flutuações podiam ser alteradas de acordo com o local onde aconteciam...Há muito mais aplicações nas quais se poderia usar isso, mas de um ponto de vista fundamental eu' Estou simplesmente impressionado com o fato de terem demonstrado experimentalmente que a estatística quântica ainda é estatística quântica, mesmo que seja tendenciosa de alguma forma.”

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