Fluctuațiile cuantice sunt controlate pentru prima dată, spun cercetătorii în optică – Physics World

O nouă tehnică de exploatare a fluctuațiilor de energie aleatoare prezente în spațiul gol și de influențare a fluctuațiilor cu un câmp aplicat a fost demonstrată de oamenii de știință din SUA. Cercetătorii cred că tehnica ar putea avea aplicații de la detectarea până la generarea de numere aleatorii în calculul optic probabilistic.

Așa cum interzice unei particule să fie complet lipsită de impuls, principiul incertitudinii lui Heisenberg împiedică un sistem să fie total lipsit de energie. Prin urmare, în mecanica cuantică, un vid este populat de mici fluctuații ale câmpului electric la frecvențe aleatorii. Acestea sunt în mod normal prea mici pentru a fi relevante din punct de vedere experimental, dar în situații specifice pot deveni importante.

În 2021, de exemplu, fizician teoretician Ortwin Hess de la Trinity College Dublin și colegii conduși de Hui Cao de la Universitatea Yale din Connecticut a folosit aceste fluctuații pentru a produce un generator de numere aleatorii dintr-un laser multimod. „În descrierea cu laser pe care am folosit-o atunci, [am descris] imprevizibilitatea și bătaia care ar rezulta din multele moduri care interacționează”, explică Hess; „dar aceasta a fost o consecință foarte interesantă care a permis recoltarea fluctuațiilor cuantice.”

Dificultăți aleatorii

În ciuda utilizării pe scară largă în criptografie și simulări pe computer, seturile de numere aleatoare adevărate sunt notoriu dificil de generat. Acest lucru face ca munca lui Cao și Hess să fie de mare interes în afara domeniului opticii cuantice.

În noua lucrare, cercetătorii de la Massachusetts Institute of Technology (MIT) au dus acest concept cu un pas mai departe, aplicând un semnal extern pentru a interfera cu fluctuațiile cuantice și măsurând efectul acestei interferențe. Yannick Salamin, Charles Roques-Carmes iar colegii au plasat un cristal de niobat de litiu într-o cavitate optică și l-au pompat cu fotoni de la un laser. Acest lucru a generat stări excitate în cristal care s-au degradat pentru a produce doi fotoni cu exact jumătate din energia fotonilor pompei.

„Faza pe care o vor avea acești fotoni este complet aleatorie, deoarece sunt declanșate de fluctuațiile de vid”, explică Salamin, „dar acum fotonul va circula în cavitate și, când va veni următorul foton, poate da energie aceluiași foton. si amplifica-l. Dar, din cauza naturii fizice a efectului, doar două faze posibile pot fi amplificate.”

Tranziție de bifurcație

Fotonii sunt inițial amplificați cu ambele faze, dar sistemul trece printr-o „tranziție de bifurcație” și alege un mod sau altul de îndată ce se acumulează suficientă energie în acel mod pentru a depăși pierderile. „Odată ce sunteți în starea de echilibru, rezultatul este fix”, explică Roques-Carmes. „Dacă doriți să obțineți o nouă probă, trebuie să reporniți întregul proces, să reveniți la distribuția de vid și să treceți din nou prin bifurcare”, adaugă el.

Când nu s-a aplicat nicio părtinire externă, cavitatea era la fel de probabil să ajungă în oricare dintre cele două moduri posibile, iar frecvențele relative ale diferitelor combinații de rezultate după încercări repetate au format o distribuție Gaussiană perfectă. Cercetătorii au aplicat apoi un câmp electromagnetic pulsat atenuat până când acesta a fost de ordinul fluctuațiilor de vid. Ei au descoperit că, deși sistemul încă s-ar putea stabili în oricare dintre stări, ar putea influența probabilitatea ca acesta să aleagă o stare față de alta. Când au aplicat o părtinire mai puternică, sistemul a ales în mod constant aceeași stare.

Generatorul rapid de numere aleatoare cuantice se potrivește pe vârful degetului

Echipa studiază acum posibile aplicații, inclusiv calculul probabilistic. „Ideea generală este că prin cuplarea multor biți p [biți probabilistici] împreună putem construi un computer p”, spune Roques-Carmes. „Există multe domenii ale științei în care doriți să puteți codifica incertitudinea... Intenționăm să luăm acest p-bit fotonic și să îl încorporăm într-o unitate de procesare fotonică.” Cercetările investighează, de asemenea, posibilitatea de a utiliza capacitatea de răspuns a sistemului la câmpuri electrice mici pentru a produce un senzor.

Cercetarea este descrisă în Ştiinţă iar Hess este dornic de rezultatele descrise în lucrare. „Este destul de excepțional, pentru că este aproape ca și cum ai părăsi lucrurile fără nimic”, spune Hess, care nu a fost implicat în această ultimă lucrare. „Ceea ce m-a impresionat este că au un mod foarte frumos de a scrie manuscrisul – îl leagă foarte puternic cu unii dintre marii maeștri ai științei laserului, cum ar fi Lamb și Purcell – îi citează pe Hawking și Unruh. În anii 1950 și 1960, nu era clar câte dintre aceste procese au apărut și cum pot fi modificate fluctuațiile în funcție de locul în care se întâmplă... Există mult mai multe aplicații în care s-ar putea folosi acest lucru, dar din punct de vedere fundamental eu' Sunt doar impresionat de faptul că au demonstrat experimental că statistica cuantică este încă statistică cuantică, chiar dacă este părtinitoare într-un fel.”

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Împuterniciți-vă. Accesați Aici.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• PlatoESG. Automobile/VE-uri, carbon, CleanTech, Energie, Mediu inconjurator, Solar, Managementul deșeurilor. Accesați Aici.
• BlockOffsets. Modernizarea proprietății de compensare a mediului. Accesați Aici.
• Sursa: https://physicsworld.com/a/quantum-fluctuations-are-controlled-for-the-first-time-say-optics-researchers/